DE19513823A1 - Range finding for industrial use and for ultra short time laser spectroscopy - Google Patents

Range finding for industrial use and for ultra short time laser spectroscopy

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DE19513823A1
DE19513823A1 DE19513823A DE19513823A DE19513823A1 DE 19513823 A1 DE19513823 A1 DE 19513823A1 DE 19513823 A DE19513823 A DE 19513823A DE 19513823 A DE19513823 A DE 19513823A DE 19513823 A1 DE19513823 A1 DE 19513823A1
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Abstract

The method applies the principle of transit time measurement of an optical measurement pulse reflected from a target object and received by a detector. The detector determines a measurement time which is coupled in a defined manner with the time of reception of the optical measurement pulse. The interval between the measured time and that of the transmission time of the reference time point coupled in a defined manner with the optical measurement point is used to determine the transit time. For measuring the transit times ultra-short pulses with a high optical power level and pulse sequence frequency with a low mean power are used.

Description

Die Erfindung betrifft ein Entfernungsmeßverfahren nach dem Prinzip der Laufzeitmessung eines optischen Meßimpulses gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 25.The invention relates to a distance measuring method based on the principle of transit time measurement an optical measuring pulse according to the preamble of claim 1 and devices for performing this method according to the preamble of claim 25.

Wie aus der einschlägigen Literatur bekannt (siehe z. B. S. Sizgoric et al. "Medium-range, high accuracy laser rangefinders for industrial applications", SPIE Vol. 663 Laser Radar Technology and Applications (1986), 90-96; R. Ahola et al., "A fast time-of-flight distance sensor for industrial applications", SPIE Vol. 654 Automatic Optical Inspection (1986), 12-18 (Ref. 1)) werden zur Entfernungsmessung einerseits langsame Laserimpulse relativ hoher Leistung mit einer relativ niedrigen Impulsfolgefrequenz und andererseits schnelle Laserimpulse relativ geringer Leistung mit einer relativ hohen Impulsfolgefrequenz verwendet.As known from the relevant literature (see, for example, S. Sizgoric et al. "Medium-range, high accuracy laser ranges for industrial applications ", SPIE Vol. 663 Laser Radar Technology and Applications (1986) 90-96; R. Ahola et al., "A fast time-of-flight distance sensor for industrial applications ", SPIE Vol. 654 Automatic Optical Inspection (1986), 12-18 (Ref. 1)) slow laser pulses become relatively high for distance measurement Power with a relatively low pulse repetition frequency and fast on the other Laser pulses of relatively low power with a relatively high pulse repetition frequency used.

Meßoberflächen können sehr niedrige Reflexionsgrade haben, weswegen mit hohen optischen Sendeleistungen gearbeitet werden muß. Einfachheterostrukturlaser oder kurz SH-Laser ("single-heterostructure") besitzen ein relativ großes aktives Volumen mit einer Laseremission hoher Energie; sie werden daher bevorzugt in optischen Pulsradarsystemen eingesetzt. Werden einzelne Chips zur Emission hoher optischer Impulsleistungen verwendet, so weisen solche Laserdioden allgemein relativ breite Emissionsaperturen von typisch 254 µm auf. Dies führt dazu, daß der über eine Fokussieroptik abgebildete Meßfleck in der Meßebene einen Durchmesser von einigen Millimetern beträgt, was für zwei- und dreidimensionale Präzisi­ onsmeßaufgaben mit einer geforderten lateralen Auflösung von einem Millimeter nicht ausreichend ist. Es sind Einzelchip-Pulslaserdioden mit einer hinreichend kleinen Emissionsapertur bekannt. Aufgrund ihres kleineren Volumens strahlen sie aber eine entsprechend geringere optische Nennleistung ab, die für eine betriebssichere Funktion des Entfernungsmeßgeräts dann oft nicht mehr ausreicht.Measurement surfaces can have very low reflectivities, which is why with high optical Transmission powers must be worked. Single heterostructure laser or SH laser for short ("single heterostructure") have a relatively large active volume with a laser emission high energy; they are therefore preferably used in optical pulse radar systems. If individual chips are used to emit high optical pulse powers, then point such laser diodes generally have relatively wide emission apertures of typically 254 μm. This leads to the fact that the measuring spot imaged via a focusing optic in the measuring plane Diameter of a few millimeters is what two-dimensional and three-dimensional precision Measurement tasks with a required lateral resolution of one millimeter are not is sufficient. They are single-chip pulse laser diodes with a sufficiently small one Emission aperture known. Because of their smaller volume, they radiate one correspondingly lower optical nominal power, which is essential for the reliable operation of the Distance measuring device is often no longer sufficient.

Ein Laserdiodenstack erbringt gegenüber einem einzelnen Chip eine höhere optische Leistung. Ein erheblicher Nachteil für den Einsatz in Präzisions-Entfernungsmeßgeräten besteht jedoch darin, daß die einzelnen Laserdiodenchips eines Stacks bei einer schnellen Stromimpulsansteuerung nicht gleichzeitig zu emittieren beginnen, d. h. die Verzögerungs­ zeiten der einzelnen Chips sind trotz ihrer seriellen Verschaltung unterschiedlich. Das führt dann bei Empfängerschaltkreisen hinreichend großer Bandbreite zu typischen Stufenfunktio­ nen der Vorderflanke des Laserimpulses. Da der Einsatz der Laseremission vom Betriebszu­ stand der einzelnen Laserdioden abhängig ist, kann eine zuverlässige präzise Zeitpunktbestim­ mung nicht durchgeführt werden. Die Bestimmung des zeitsignifikanten Punktes wird insbe­ sondere dann kritisch, wenn dieser in den Signalpegelbereich eines Stufenübergangs fällt. Damit ist ein Laserdiodenstack nicht geeignet, ultra-kurze optische Impulsanstiegszeiten und darüber hinaus ultra-kurze optische Impulse zu erzeugen.A laser diode stack provides a higher optical than a single chip Power. A major disadvantage for use in precision distance measuring devices However, is that the individual laser diode chips of a stack at a fast Current pulse drive does not start to emit at the same time, d. H. the delay times of the individual chips are different despite their serial connection. Leading then in the case of receiver circuits with a sufficiently large bandwidth for typical step functions the leading edge of the laser pulse. Since the use of laser emission from the plant depending on the individual laser diodes, a reliable precise time can be determined not be carried out. The determination of the time-significant point is in particular especially critical if this falls within the signal level range of a step transition. So a laser diode stack is not suitable, ultra-short optical pulse rise times and in addition to generate ultra-short optical pulses.

Die Meßunsicherheit von Entfernungsmeßgeräten bekannter Art wird insbesondere durch aufbaubedingte parasitäre Effekte beeinflußt, die im wesentlichen auf ein Übersprechen sendeseitiger Leistungskomponenten auf den empfindlichen Empfängerteil zurückzuführen sind. Derartige kaum zu kontrollierende Einflüsse erfordern bei höheren Ansprüchen an die Güte der Entfernungsmessung eine möglichst steile Impulsanstiegsflanke zur Bestimmung des zeitsignifikanten Punktes. Laserimpulse hoher Leistung zeigen aber im allgemeinen keinen linearen zeitlichen Verlauf der Impulsvorderflanke. Nach einem anfänglichen steileren Anstieg folgt ein Kriecheffekt mit wachsendem Laserrauschen. Niederfrequente Störsignale machen sich besonders bei Entfernungsmeßgeräten bemerkbar, die nach dem Samplingprinzip arbeiten. In diesem Fall überlagern sich diese den abgetasteten Impulsen, so daß eine sehr genaue Zeitpunktbestimmung auf der gestörten Impulsflanke nicht mehr gewährleistet ist.The measurement uncertainty of distance measuring devices of a known type is particularly affected by influences parasitic effects, which are essentially due to crosstalk transmission-side power components due to the sensitive receiver part are. Such influences that can hardly be controlled require higher demands on the Goodness of the distance measurement a steeply rising pulse edge for determining the time-significant point. However, high power laser pulses generally do not show any  linear course of the pulse leading edge over time. After an initial steep climb follows a creep effect with increasing laser noise. Make low-frequency interference signals This is particularly noticeable with distance measuring devices based on the sampling principle work. In this case, these overlap the sampled pulses, so that a very exact timing is no longer guaranteed on the disturbed pulse edge.

Typische Impulsanstiegszeiten bekannter Art liegen in der Größenordnung von 1.5 bis 3 ns. Die Impulsbreiten betragen 5 bis 20 ns. Die Impulsfolgefrequenzen liegen maximal bei 10 kHz. Die radiale Meßunsicherheit der Entfernungsmessung mit Laserimpuls-Zeitfunktionen bekannter Art liegt typisch im Zentimeterbereich. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit wird das bekannte Verfahren der Impulsintegration angewendet. Beispielsweise wird in einer Integrationszeit von einer Sekunde eine Meßunsicherheit von einem Millimeter erreicht.Typical pulse rise times of a known type are in the order of 1.5 to 3 ns. The pulse widths are 5 to 20 ns. The pulse repetition frequencies are a maximum of 10 kHz. The radial measurement uncertainty of distance measurement with laser pulse time functions known type is typically in the centimeter range. To increase the measuring accuracy the known method of pulse integration applied. For example, in one Integration time of one second a measurement uncertainty of one millimeter is reached.

Höhere Impulsfolgefrequenzen von einigen hundert Kilohertz werden mit Laserdioden erreicht, die Ausgangs-Spitzenleistungen von typisch < 1 Watt erzeugen. Aus Ref. 1 ist ein 3-D-Entfernungsmesser mit einer DH-Laserdiode mit einer Impulsleistung von 500 mW und einer Impulsfolgefrequenz von 1.6 MHz bekannt. Die Laserimpulsbreite beträgt 6 ns. Der Laserimpulsanstiegszeit von 1.6 ns entspricht eine Entfernungsdifferenz von 24 cm. Eine geringe Schwankung des Triggerpegels von nur 1% bedeutet bei derartigen langsamen Impulsen eine Meßunsicherheit von 2.4 mm. Die gegebene geringe Pulsleistung schränkt den Einsatz entsprechender Entfernungsmesser auf relativ gut reflektierende Meßoberflächen ein. Mit einem Meßstrahldurchmesser von 4.9 mm ist die gegebene laterale Meßauflösung für Aufgaben beispielsweise der Qualitätskontrolle nicht ausreichend.Higher pulse repetition frequencies of a few hundred kilohertz are achieved with laser diodes achieved, which produce peak output powers of typically <1 watt. From Ref. 1 is a 3-D rangefinder with a DH laser diode with a pulse power of 500 mW and a pulse repetition frequency of 1.6 MHz is known. The laser pulse width is 6 ns. Of the Laser pulse rise time of 1.6 ns corresponds to a distance difference of 24 cm. A small fluctuation of the trigger level of only 1% means with such slow ones Impulses a measurement uncertainty of 2.4 mm. The given low pulse power limits the Use appropriate rangefinders on relatively well reflecting measuring surfaces. With a measuring beam diameter of 4.9 mm, the given lateral measuring resolution is for Quality control tasks, for example, are not sufficient.

Aus den Patentschriften DE 29 08 854 C2, US 4344705, EUR 15566 und JAP 1305263 (Ref. 2) und der Veröffentlichung von G. Kompa, "Accurate optical pulse reflection measurement", IEEE Trans. Instrum. Meas. IM-33, No. 2, June 1984, 97-100 ist ein Entfernungsmeßverfah­ ren bekannt, das die Entfernungsinformation nicht über einen einzelnen Sende- und Empfangsimpuls (Echtzeitsignale) gewinnt, sondern nach dem Prinzip des Sampling- Verfahrens die Bestimmung der zeitsignifikanten Punkte an gesampelten zeitgedehnten Signalen erfolgt. Dabei wird das gesampelte Signal aus einer Vielzahl von Echtzeitimpulsen abgeleitet. Für eine geringe Meßzeit der Entfernung ist daher eine möglichst hohe Impulsfolgefrequenz anzustreben. Innerhalb eines Meßbereichs von 2 m wurde eine Meßunsi­ cherheit von 7 mm bei einer Meßzeit von 25 ms erreicht. Über Impulsintegration von 512 ms wurde eine systemspezifische digitale Meßauflösung von 1 mm erreicht. Zur Laseremission dient ein Laserdiodenstack. Die Impulsform der abgestrahlten Impulse wird durch das Spiking des Halbleiterlasers bestimmt, die mehrere stark gedämpfte Relaxationsspitzen aufweisen. Eine weitere Reduzierung der Laseremission auf den Anfangsspike würde die mittlere optische Leistung erheblich reduzieren. Dies hätte den Vorteil, daß unter Einhaltung der internationalen Laserschutzvorschriften für ein Laserklasse- 1-System die Impulsfolgefrequenz beträchtlich erhöht werden könnte, wodurch sich die Meßzeit verkürzt bzw. über Impulsintegration die Meßgenauigkeit erhöht.From the patents DE 29 08 854 C2, US 4344705, EUR 15566 and JAP 1305263 (Ref. 2) and the publication by G. Kompa, "Accurate optical pulse reflection measurement", IEEE Trans. Instrument. Meas. IM-33, No. 2, June 1984, 97-100 is a range finder ren known that the distance information does not have a single transmission and Receive pulse (real-time signals) wins, but according to the principle of sampling Procedure the determination of the time-significant points on sampled time-stretched Signals. The sampled signal is made up of a large number of real-time pulses derived. For a short measuring time of the distance it is therefore as long as possible To aim for pulse repetition frequency. A measurement was made within a measuring range of 2 m safety of 7 mm with a measuring time of 25 ms. Via pulse integration of 512 ms, a system-specific digital measurement resolution of 1 mm was achieved. For A laser diode stack is used for laser emission. The pulse shape of the emitted pulses is determined by the spiking of the semiconductor laser, the several strongly attenuated Have relaxation peaks. A further reduction in laser emissions to the Initial spike would significantly reduce the average optical power. This would have been Advantage that in compliance with the international laser protection regulations for a laser class 1 system, the pulse repetition frequency could be increased considerably, causing the Shortened measuring time or increased measuring accuracy via pulse integration.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß auch schwach reflektierende Oberflächenelemente von Meßobjekten eindimensional sehr präzise vermessen werden können. Eine weitergehende erfindungsgemäße Aufgabe besteht darin, Oberflächenelemente von Meßobjekten sowohl mit hoher radialer als auch hoher lateraler Auflösung zwei- und dreidimensional sehr präzise zu vermessen. The invention has for its object a method and a device of the beginning mentioned type so that even weakly reflecting surface elements of Objects can be measured one-dimensionally very precisely. Another one The object of the invention is to use both surface elements of measurement objects high radial as well as high lateral resolution very precisely in two and three dimensions measured.  

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im Anspruch 1 (Verfahren) bzw. in dem Anspruch 25 (Vorrichtungen) niedergelegten Merkmale vor.To achieve this object, the invention provides that in claim 1 (method) or Claim 25 (devices) laid down features.

Eine besondere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Entfernungsmeßverfahren zu schaffen, das zur präzisen zwei- oder dreidimensionalen Vermessung von Gegenständen geeignet ist. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß zur Laufzeitmessung eine Laseremission mit kleiner Aper­ tur verwendet wird, die ultra-kurze Impulse hoher optischer Impulsleistung und hoher Im­ pulsfolgefrequenz geringer mittlerer Leistung aufweist. Die ultra-kurzen Laserimpulse erlauben eine über den Stand der Technik hinausgehende genauere Einzelimpulsmessung bei größeren Entfernungen sowie kürzere Meßzeiten aufgrund der sehr viel höheren Impulsfolge­ frequenz. Bei kürzeren Meßentfernungen sind sie aufgrund der hohen optischen Impulslei­ stung gegenüber bekannten Meßverfahren auch zur Messung an schwach reflektierenden Meßoberflächen geeignet. Die erfindungsgemäßen ultra-kurzen Laserimpulse erlauben insbe­ sondere auch bei einer hohen Impulsfolgefrequenz die Einhaltung der internationalen Laseremissionsgrenzwerte für Augensicherheit, was insbesondere mit Entfernungsmeßgeräten, die nach dem Phasenvergleichsverfahren mit optischen Dauerstrichleistungen von bis zu einigen 10 mW arbeiten, nicht ohne weiteres erreicht werden kann.A particular object of the invention is to provide a distance measuring method that is suitable for the precise two- or three-dimensional measurement of objects. Solved this task is characterized in that a laser emission with a small aper is used, the ultra-short pulses of high optical pulse power and high Im pulse repetition frequency has low average power. The ultra-short laser pulses allow a more precise individual pulse measurement that goes beyond the state of the art larger distances and shorter measuring times due to the much higher pulse train frequency. At shorter measuring distances, they are due to the high optical impulse Compared to known measuring methods also for measuring weakly reflecting Suitable measuring surfaces. The ultra-short laser pulses according to the invention allow in particular compliance with international standards, especially with a high pulse repetition frequency Laser emission limit values for eye safety, which is particularly the case with distance measuring devices, which according to the phase comparison method with optical continuous wave powers of up to some 10 mW work, can not be easily achieved.

Die Standardabweichung der gemessenen Entfernung verhält sich proportional zur Anstiegs­ zeit des optischen Impulses und umgekehrt proportional zum Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Da die Anstiegszeit ihrerseits proportional zur Empfängerbandbreite (B) ist, folgt, daß die Standardabweichung umgekehrt proportional dem Produkt aus B und SNR ist. Berücksichtigt man weiterhin, daß sich das Signal-Rausch-Verhältnis eines Photoempfängers proportional zur Empfangsleistung bzw. Sendeleistung und umgekehrt proportional zur Wurzel aus der Empfängerbandbreite verhält (siehe K. Määttä et al., "Profiling of hot surfaces by pulsed time-of-flight laser range finder techniques", Appl. Optics, Vol. 32, No. 27,1993, 5334-5347), so folgt letztlich für die Standardabweichung, daß diese unter der Voraussetzung hinreichend geringer Hintergrundstrahlung umgekehrt proportional der Wurzel aus Empfangsleistung und der Empfängerbandbreite ist. Üblicherweise werden die SH- Laserdioden im quasi-statischen Betriebszustand mit relativ langen und langsamen Stromimpulsen direkt moduliert. Nach Überschreitung eines Stromschwellwerts emittiert der Laser, wobei der zeitliche Verlauf der Strahlungsintensität weitgehend dem zeitlichen Verlauf des Pumpstroms entspricht. Nach folgender Unterschreitung des Schwellstroms bricht die Laseremission ab. Übliche Impulsanstiegszeiten liegen in der Größenordnung von einigen Nanosekunden. Eine Verringerung der Anstiegszeit durch die erfindungsgemäße Höchstinjektion, d. h. Vergrößerung der Signal- bzw. Empfängerbandbreite würde unmittelbar die Meßgenauigkeit erhöhen. Kürzere optische Impulse erlauben weiterhin unter dem Gesichtspunkt der Lasersicherheit höhere optische Leistungen, die zu einer weiteren Reduzierung der Standardabweichung der gemessenen Entfernung führen. Die bekannte Pulsmodulation üblicher Laserdioden kann dieses nicht leisten.The standard deviation of the measured distance is proportional to the increase time of the optical pulse and inversely proportional to the signal-to-noise ratio (SNR). Since the rise time is itself proportional to the receiver bandwidth (B), it follows that that the standard deviation is inversely proportional to the product of B and SNR. Taking into account further that the signal-to-noise ratio of a photo receiver proportional to the received power or transmit power and inversely proportional to the Root from the receiver bandwidth behaves (see K. Määttä et al., "Profiling of hot surfaces by pulsed time-of-flight laser range finder techniques ", Appl. Optics, Vol. 32, No. 27.1993, 5334-5347), it ultimately follows for the standard deviation that this is below the A requirement of sufficiently low background radiation is inversely proportional to the root from reception power and the receiver bandwidth. Usually the SH- Laser diodes in the quasi-static operating state with relatively long and slow ones Current pulses directly modulated. The emits after a current threshold value is exceeded Laser, the time course of the radiation intensity largely the time course corresponds to the pump current. The following breaks after the threshold current is undershot Laser emission from. Usual pulse rise times are on the order of a few Nanoseconds. A reduction in the rise time through the invention Maximum injection, d. H. Increasing the signal or receiver bandwidth would be immediate increase the measuring accuracy. Shorter optical pulses still allow under the From the point of view of laser safety, higher optical powers lead to a further one Reduce the standard deviation of the measured distance. The well-known Pulse modulation of conventional laser diodes cannot do this.

Die in Entfernungsmeßgeräten verwendeten Halbleiterlaser arbeiten im quasi-statischen Betrieb, d. h. die Pumpstromimpulsvorderflanke sowie die Pumpstromimpulsbreite sind relativ lang, so daß sich der zeitliche Verlauf der Intensität der Laseremission des Halbleiterlasers unmittelbar aus dem Verlauf des Pumpstroms über die quasi-statische Leistungs-Strom- Kennlinie ergibt. Laseraktivität setzt ein, sobald der Schwellwert der Trägerdichte erreicht wird. Darüber hinaus injizierte Ladungsträger tragen zur Laseremission bei. Zur Erzeugung hoher Leistungen sind im quasi-statischen Betrieb Pulsströme hoher Amplitude erforderlich. The semiconductor lasers used in distance measuring devices work in quasi-static Operation, d. H. the pump current pulse leading edge and the pump current pulse width are relative long, so that the time course of the intensity of the laser emission of the semiconductor laser directly from the course of the pump current via the quasi-static power-current Characteristic results. Laser activity begins as soon as the carrier density threshold is reached becomes. In addition, injected charge carriers contribute to laser emission. For generation high power, pulse currents of high amplitude are required in quasi-static operation.  

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, über eine geeignete Maßnahme zu unterbinden, daß praktisch ohne Zeitverzug die Laseremission nach Erreichen der kritischen Ladungsträger­ dichte einsetzt. Über die kritische Ladungsträgerdichte hinaus sollen über einen angemessenen Zeitbereich weiterhin möglichst viele Ladungsträger in den aktiven Bereich der Laserdiode gepumpt werden, um dann bei Erfüllung der Laserbedingung zu einem kurzen und kräftigen Laserspike zu führen. Dies kann durch eine Ansteuerung der Laserdiode mittels eines Pumpstromimpulses extrem kurzer Anstiegszeit, d. h. steiler Impulsvorderflanke erreicht werden, so daß während der Verzögerungszeit zwischen dem Erreichen der Schwellwertträgerdichte und dem Einsatz der Laseremission eine größere Anzahl von Ladungsträgern in den aktiven Bereich der Laserdiode gepumpt werden. Eine solche Stromflankenmodulation führt zu einem ausgeprägten Einschwingverhalten oder Spiking der Laserdiode (Relaxationsschwingung). Um die Emission auf einen einzelnen optischen Spike zu reduzieren, ist ein hinreichend kurzer Pumpstromimpuls vonnöten. Dabei ist zu beachten, daß sich die optische Leistung proportional zur injizierten Netto-Ladungsträgerdichte während der Stromimpulsdauer verhält, was zu einer Begrenzung der Amplitude der optischen Impulse führt.The invention is based on the idea of using a suitable measure to prevent that practically without delay the laser emission after reaching the critical charge carriers density begins. In addition to the critical charge carrier density, the Time range as many charge carriers as possible in the active area of the laser diode be pumped to then short and powerful when the laser condition is met Lead laser spike. This can be done by controlling the laser diode using a Pump current pulse of extremely short rise time, i. H. steep pulse leading edge reached be so that during the delay between reaching the Threshold value carrier density and the use of laser emission a larger number of Charge carriers are pumped into the active area of the laser diode. Such Current edge modulation leads to a pronounced transient response or spiking of the Laser diode (relaxation oscillation). To reduce the emission to a single optical spike to reduce, a sufficiently short pump current pulse is required. It should be noted, that the optical power is proportional to the net carrier density injected during the current pulse duration behaves, which limits the amplitude of the optical pulses leads.

Laserdioden weisen einen optischen Resonator auf, der ein mehrschichtiges Materialsystem darstellt. Unterschiedliche Materialschichten bilden Heteroübergänge mit guten optischen Wellenführungseigenschaften. Gleiche Materialschichten unterschiedlicher Dotierung dagegen zeigen nur eine schwache Indexführung einer optischen Welle. Zu den schwach index­ geführten Laserresonatoren zählen u. a. auch die Rippenwellenleiter mit Quasi-Indexführung (siehe P.G. Eliseev et al., "Study of strained-layer InGaAs/GaAs SQW RW lasers including analysis of internal coupling of modes and antiguiding effects", SPIE Proceedings Volume 2146-23).Laser diodes have an optical resonator, which is a multi-layer material system represents. Different material layers form heterojunctions with good optical Wave guide properties. However, the same material layers with different doping show only weak index guidance of an optical wave. To the weak index guided laser resonators count u. a. also the rib waveguides with quasi-index guidance (see P.G. Eliseev et al., "Study of strained-layer InGaAs / GaAs SQW RW lasers including analysis of internal coupling of modes and antiguiding effects ", SPIE Proceedings Volume 2146-23).

Werden schwach index-geführte Laserdioden nach den Ansprüchen 2 bzw. 3 mit einem hinreichend schnellen und hohen Pumpstrom beaufschlagt, so läßt sich erfindungsgemäß nach Anspruch 4 erreichen, daß die Laseremission im index-geführten Nennbetriebszustand unterdrückt wird, da die ultra-schnell injizierten Ladungsträger zu einem Abbau des schwachen Indexsprungs des optischen Wellenleiters führt. Dadurch können über die Nennträgerdichte hinaus weitere Ladungsträger in die aktive Zone injiziert werden. Dies hat zur Folge, daß sich der wellenlängenabhängige Materialgewinn erhöht, wobei sich das Maximum mit wachsender Trägerdichte zu kleineren Wellenlängen verschiebt. Zu kleineren Wellenlängen bewirkt die Zunahme der Trägerdichte auch einen wachsenden Indexsprung. Bei hinreichend großem modalen Gewinn, der vom Materialgewinn und der transversalen Feldverteilung der optischen Welle im Laserresonator abhängt, setzt mit der Erfüllung der Laserbedingung die Laseremission in Form eines einzigen kräftigen Laserspikes ein. Da sowohl die zeitliche Änderung des Materialgewinns als auch die des Indexprofils für die Erzeugung des Laserimpulses wesentlich sind, soll diese Betriebsart nach Anspruch 5 kurz indexgeführtes Q-Switching genannt werden. Die Hauptstrahlrichtung der Laseremission erfolgt gemäß Anspruch 6 senkrecht zur Emissionsapertur.Are weakly index-guided laser diodes according to claims 2 and 3 with a sufficiently fast and high pump current is applied, so can be according to the invention Claim 4 achieve that the laser emission in the index-guided nominal operating state is suppressed since the ultra-fast injected charge carriers break down the weak index jump of the optical waveguide leads. This allows over the In addition to the nominal carrier density, further charge carriers can be injected into the active zone. this has as a result that the wavelength-dependent material gain increases, the Maximum shifts to smaller wavelengths with increasing carrier density. To smaller ones Wavelengths the increase in carrier density also causes a growing index jump. With a sufficiently large modal gain, that of the material gain and the transversal Field distribution of the optical wave in the laser resonator depends on the fulfillment of the Laser condition the laser emission in the form of a single powerful laser spike. There both the temporal change in the material gain and that of the index profile for the Generation of the laser pulse are essential, this mode should be short according to claim 5 index-led Q switching. The main beam direction of laser emission takes place according to claim 6 perpendicular to the emission aperture.

Eine erfindungsgemäße Modulationsvariante zur Erzeugung ultra-kurzer Laserimpulse zur präzisen Entfernungsmessung beruht darauf, daß die Injektionsrate der Ladungsträger so extrem hoch ist, daß ein primärer Laserspike im Material-Gain-Switching Mode abgestrahlt wird (siehe E.L. Portnoi et al., "Switching phenomena in SH GaAs-AlGaAs laser diodes with saturable absorber created by implantation of heavy ions", zur Veröffentlichung eingereicht). A modulation variant according to the invention for generating ultra-short laser pulses for precise distance measurement is based on the fact that the injection rate of the charge carriers It is extremely high that a primary laser spike is emitted in the material gain switching mode (see E.L. Portnoi et al., "Switching phenomena in SH GaAs-AlGaAs laser diodes with saturable absorber created by implantation of heavy ions ", submitted for publication).  

In SH-Lasern führt dies zu optischen Leckwellen, deren Hauptstrahlrichtung nach Anspruch 7 von der optischen Achse des Laserresonators abweichen. Bei DH-Lasern mit Quasi- Indexführung ergeben sich aufgrund der symmetrischen Anordnung Leckwellen beiderseits der Symmetrieachse, wobei diese gemäß Anspruch 8 jeweils als Sende- und Referenzsignal dienen können.In SH lasers, this leads to optical leakage waves, the main beam direction of which 7 deviate from the optical axis of the laser resonator. For DH lasers with quasi Indexing is due to the symmetrical arrangement of leaky waves on both sides the axis of symmetry, which according to claim 8 each as a transmission and reference signal can serve.

Weitere Ausführungsformen von Halbleiterlasern, die vergleichbare optische Superspikes erzeugen, sind nach Anspruch 9 denkbar. Von grundlegender Bedeutung dabei ist, daß die Laseremission nach Beginn des Strompumpens möglichst lang unterdrückt wird, um während dieser Zeit durch Höchstinjektion möglichst hohe Ladungsträgerdichten zu erzeugen. Beispielsweise könnte die mittlere p-dotierte GaAs Schicht eines herkömmlichen SH-Lasers durch eine AlGaAs Schicht mit einem sehr geringen Al-Gehalt ersetzt werden, so daß im Ruhezustand kein wesentlicher positiver Brechzahlsprung des pn-Übergangs mehr existiert. Dies hätte den Vorteil, daß bei moderaten Pumpstromamplituden erst gar keine Laser­ emission auftreten könnte; eine starke Laseraktivität würde dann nur über eine Höchst­ injektion von Ladungsträgern möglich sein mit Wellenlängen, bei denen die Trägerdichten einen positiven Beitrag zum Realteil des Brechungsindex liefern.Other embodiments of semiconductor lasers that have comparable optical superspikes generate, are conceivable according to claim 9. It is of fundamental importance that the Laser emission is suppressed as long as possible after the start of electricity pumping to generate the highest possible carrier densities during this time by maximum injection. For example, the middle p-doped GaAs layer of a conventional SH laser be replaced by an AlGaAs layer with a very low Al content, so that in the Hibernation no significant positive jump in the refractive index of the pn transition exists. This would have the advantage that at moderate pump current amplitudes no lasers at all emission could occur; strong laser activity would then only exceed a maximum injection of charge carriers may be possible with wavelengths at which the carrier densities make a positive contribution to the real part of the refractive index.

Die beschriebenen unterschiedlichen Betriebsmoden des indexgeführten Gain- und Q- Switching sowie des Material-Gain-Switching treten bei Höchstinjektion eines klassischen SH- Lasers nicht in ihrer reinsten Form auf; so kann während der Emission eines ultra-kurzen Laserimpulses ein anfängliches Q-Switching in ein indexgeführtes Gain-Switching übergehen. Ebenso ist es möglich, daß ein Material-Gain-Switching in ein indexgeführtes Gain-Switching übergeht. Ein solcher kombinierter Betriebsmodus führt einerseits dazu, daß das optische Spektrum des ultra-kurzen Impulses breiter wird, und andererseits dazu, daß sich die Impulsbreite vergrößert. Nach Anspruch 62 lassen sich über gezielte Modifikationen eines klassischen SH-Lasers die jeweiligen begleitenden parasitären Emissionsanteile gezielt unterdrücken. Mit der Maßnahme, daß nach Anspruch 63 das Stufenprofil eines klassischen SH-Lasers durch ein Treppenprofil ersetzt wird, erfolgt die Emission im reinen Material- Gain-Switching. Denkbar ist beispielsweise, den Al-Gehalt der mittleren Materialschicht einer Sh-Laserkonfiguration so zu wählen, daß im Profilverlauf ein negativer Brechzahlsprung des pn-Übergangs entsteht. Dies hat zur Folge, daß die kritische Trägerdichte, bei der Laseremission einsetzt, extrem hoch ist. Ein indexgeführter Emissionszustand ist dann ausgeschlossen. In einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Weiterbildung nach Anspruch 10 wird ein SH-Laser zusätzlich mit einem sättigbaren Absorber versehen. Dies führt dazu, daß der SH-Laser in einem reinen indexgeführten Q-Swichting Mode emittiert. Erfahrungsgemäß führt diese Maßnahme insbesondere zu einem rascheren Abklingen der Laseremission und somit zu einer weiteren Verkürzung der Impulsbreite der ultra-kurzen Laserimpulse.The described different operating modes of the index-guided gain and Q Switching and material gain switching occur when the maximum injection of a classic SH Lasers not in their purest form; so during the emission of an ultra-short Laser pulse an initial Q switching into an index-guided gain switching. It is also possible that a material gain switching into an index-guided gain switching transforms. Such a combined operating mode leads on the one hand to the fact that the optical Spectrum of the ultra-short impulse becomes wider, and on the other hand to the fact that the Pulse width increased. According to claim 62, one can via targeted modifications classic SH laser, the respective accompanying parasitic emissions suppress. With the measure that according to claim 63 the step profile of a classic SH laser is replaced by a stair profile, the emission takes place in the pure material Gain switching. For example, the Al content of the middle material layer is conceivable Sh laser configuration to choose so that a negative jump in the refractive index of the pn transition arises. As a result, the critical carrier density at which Laser emission, is extremely high. An index-guided emission state is then locked out. In an advantageous development according to the invention according to claim 10 an SH laser is additionally provided with a saturable absorber. This leads to the SH laser emits in a pure index-guided Q-swichting mode. According to experience this measure leads in particular to a faster decay of the laser emission and thus further shortening the pulse width of the ultra-short laser pulses.

Mit der Ladungsträgerdichte ändert sich im Halbleiterlaser der Brechungsindex. Da die Ladungsträgerdichte mit der Stromänderung variiert bzw. die Laseremission die Ladungsträ­ gerdichte verringert, beeinflußt die Brechzahländerung die Ausbreitungseigenschaften der op­ tischen Moden und verursacht dadurch eine Verschiebung des Modenspektrums. Die Wellen­ längenverschiebung Δλ ist proportional zur Ladungsträgerdichteänderung ΔN. Im Falle ultrakurzer Laserimpulse nimmt während des optischen Impulses die Ladungsträgerdichte auf­ grund stimulierter Emission ständig ab, womit ein Chirp mit unidirektionaler Rotverschie­ bung verknüpft ist. Wie in P.P. Vasil′ev, "Ultrashort pulse generation in diode lasers", Opti­ cal and Quantum Electronics, vol. 24, pp. 801-824,1992, dargelegt, lassen sich die erfin­ dungsgemäßen mit Halbleiterlasern erzeugten ultra-kurzen optischen Impulse nach Anspruch 11 über bekannte Methoden der optischen Pulskompressionstechnik weiter verkürzen. Bei­ spielsweise ist in einem Medium mit normaler Dispersion (z. B. optische Faser) die Gruppen­ geschwindigkeit eines kurzwelligen Signals kleiner als die eines langwelligeren. Daraus folgt, daß die Laufzeit im Medium für einen Impuls längerer Wellenlänge kleiner ist als die eines Impulses mit kürzerer Wellenlänge des optischen Trägers. Es existiert daher eine optimale Ausbreitungsdistanz, nach deren Durchlaufen der rückwärtige Chirp-Impulsteil den vorderen Teil eingeholt hat, und alle Wellenlängen auf einen kürzeren optischen Impuls komprimiert sind. Die Pulskompression führt zu einer Versteilerung der Impulsflanken und somit zu einer genaueren Bestimmung des zeitsignifikanten Punktes.The refractive index changes in the semiconductor laser with the charge carrier density. Since the Charge carrier density varies with the change in current or the laser emission changes the charge carriers reduced density, the change in refractive index affects the propagation properties of the op table fashions and thereby causes a shift in the mode spectrum. The waves length shift Δλ is proportional to the change in charge density ΔN. In the event of ultra-short laser pulses absorb the charge density during the optical pulse due to stimulated emission, which means a chirp with unidirectional redshift exercise is linked. As in P.P. Vasil'ev, "Ultrashort pulse generation in diode lasers", Opti cal and quantum electronics, vol. 24, pp. 801-824, 1992, the inventions  According to the invention with semiconductor lasers generated ultra-short optical pulses according to claim 11 further shorten using known methods of optical pulse compression technology. At For example, the groups are in a medium with normal dispersion (e.g. optical fiber) speed of a short-wave signal is lower than that of a long-wave. It follows, that the transit time in the medium for a pulse of longer wavelength is smaller than that of one Pulse with a shorter wavelength of the optical carrier. There is therefore an optimal one Propagation distance, after passing through the rear chirp pulse part the front Part has caught up, and all wavelengths compressed to a shorter optical pulse are. The pulse compression leads to a steepening of the pulse edges and thus to one more precise determination of the time-significant point.

Die nach Anspruch 1 dem Entfernungsmeßverfahren zugrunde liegenden ultra-kurzen Laser­ impulse hoher Repetierfrequenz können auch nach Anspruch 12 über modengekoppelte Laser erzeugt werden. Ihre optischen Leistungen sind im allgemeinen geringer, so daß entsprechende Entfernungsmeßgeräte auf den Nahbereich beschränkt sind.The ultra-short laser on which the distance measuring method is based according to claim 1 High repetition frequency pulses can also be according to claim 12 via mode-locked lasers be generated. Their optical performance is generally lower, so that Corresponding distance measuring devices are limited to the close range.

Die Detektion der leistungsstarken ultra-kurzen Laserimpulse benötigt breitbandige Empfängerschaltkreise beispielsweise auf der Basis von III-V-Verbindungshalbleitern, die die ultra-schnellen Laserimpulse nach Anspruch 13 signalformtreu verstärken. Ein schneller Empfängerschaltkreis besteht beispielsweise aus einer MSM-Photodiode, einem Transimpe­ danzverstärker und einem Hauptverstärker. Aus V. Hurm et al., "8.2 GHz bandwidth monolithic integrated optoelectronic receiver using MSM photodiode and 0.5 µm recessed­ gate AlGaAs/GaAs HEMTs", Electronics Letters, 25th April 1991, Vol. 27, No. 9, 734-735, ist bekannt, daß mit relativ großflächigen MSM-Photodioden von 100 × 100 µm² Empfängerbandbreiten von 8.2 GHz erreicht werden können. Der erfindungsgemäße Einsatz solcher Schaltkreise zur Entfernungsmessung erfordert aufgrund der geringeren Empfindlich­ keit von ultra-schnellen Photodioden eine entsprechend höhere optische Empfangsleistung, deren Bereitstellung Gegenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens ist. Bekannte Kenndaten der Laseremission sind dazu nicht geeignet. Eine höhere Empfangsempfindlichkeit läßt sich bei geringfügig verringerter Bandbreite mit Avalanche-Photodioden erzielen. Es sind Avalanche-Photodioden bekannt, die bei einer optimalen Schaltungsauslegung und maximaler Vorspannung eine Anstiegszeit von etwa 100 ps aufweisen. Wenn sie auch nicht die Anstiegszeit der ultra-schnellen Laserimpulse erreichen, so bedeuten sie gegenüber Empfängerschaltungen bekannter Art immerhin eine Verbesserung um den Faktor 15 bis 30.The detection of the powerful, ultra-short laser pulses requires broadband Receiver circuits, for example, based on III-V compound semiconductors, which Amplify ultra-fast laser pulses according to claim 13 true to the waveform. A quick one Receiver circuit consists, for example, of an MSM photodiode, a transimp dance amplifier and a main amplifier. From V. Hurm et al., "8.2 GHz bandwidth monolithic integrated optoelectronic receiver using MSM photodiode and 0.5 µm recessed gate AlGaAs / GaAs HEMTs ", Electronics Letters, 25th April 1991, Vol. 27, No. 9, 734-735, it is known that with relatively large-area MSM photodiodes of 100 × 100 µm² Receiver bandwidths of 8.2 GHz can be achieved. The use according to the invention Such distance measurement circuits require sensitive due to the lower ultra-fast photodiodes a correspondingly higher optical reception power, their provision is the subject of the inventive method. Known characteristics laser emission are not suitable for this. A higher reception sensitivity can be with a slightly reduced bandwidth with avalanche photodiodes. There are Avalanche photodiodes are known to have optimal circuit design and maximum Bias have a rise time of about 100 ps. If not you Rise time of the ultra-fast laser pulses, they mean opposite Receiver circuits of a known type, after all, an improvement by a factor of 15 to 30.

Üblicherweise wird zur Entfernungsmessung ein Referenzsignal dem Sendestrahl entnommen und als Zeitreferenz auf die Empfangsdiode gegeben, so daß mit dem zeitverzögerten Echosignal am Ausgang der Photodiode ein elektrischer Doppelimpuls zur Auswertung vorliegt.A reference signal is usually taken from the transmission beam for distance measurement and given as a time reference to the receiving diode, so that with the time-delayed Echo signal at the output of the photodiode, an electrical double pulse for evaluation is present.

Die der Erfindung zugrundeliegenden ultra-kurzen optischen Impulse nach Anspruch 1 sind im wesentlichen symmetrische Dreieckimpulse mit einem näherungsweise linearen Anstieg der Vorderflanke und näherungsweise linearen Abfall der Rückflanke. Typische Anstiegs­ zeiten liegen unterhalb von 50 Pikosekunden. Da die Anstiegszeit (20%-80%) der ultra­ kurzen Impulse näherungsweise der Abfallzeit (20%-80%) entspricht, kann nach Anspruch 14 die Bestimmung des zeitsignifikanten Punktes prinzipiell ohne Verlust an Genauigkeit sowohl auf der Vorderflanke als auch auf der Rückflanke oder durch Mittelung der Zeitpunkte auf der Vorderflanke und Rückflanke nach Anspruch 15 erfolgen. The ultra-short optical pulses on which the invention is based are according to claim 1 essentially symmetrical triangular pulses with an approximately linear rise the leading edge and approximately linear drop of the trailing edge. Typical increase times are less than 50 picoseconds. Since the rise time (20% -80%) of the ultra short impulses approximately equal to the fall time (20% -80%) can, according to claim 14 the determination of the time-significant point in principle without loss of accuracy both on the leading edge and on the trailing edge or by averaging the Timing on the leading edge and trailing edge take place according to claim 15.  

Ein besonderes Merkmal der Erfindung folgt aus Anspruch 16, nach dem der zeitsignifikante Punkt unabhängig von der jeweiligen Signalamplitude präzise über die Mittelung der über einen im wesentlichen beliebig wählbaren festen Schwellwert gewonnenen Signalzeitpunkte der Vorder- und Rückflanke bestimmt wird. Unabhängig vom Schwellwert entspricht der zeitliche Mittelwert stets dem Zeitpunkt maximaler Signalamplitude und ist damit eine eindeutige Zeitreferenz. Aufgrund der hohen Flankensteilheit der erfindungsgemäßen Impulse kann oft auf einen üblichen dynamischen Verhältnis-Schwellwertdetektor, der den zeitsignifi­ kanten Punkt bei Erreichen des 50% Signalpegels bestimmt, verzichtet werden. Die eindeutige Zeitreferenz kann auch gemäß Anspruch 64 über eine Differentiation der ultra­ schnellen Impulse über den Signalnulldurchgang gewonnen werden.A special feature of the invention follows from claim 16, according to which the time-significant Point regardless of the respective signal amplitude precisely by averaging the an essentially arbitrarily selectable fixed threshold value obtained signal times the leading and trailing edge is determined. Regardless of the threshold, the time average always the time of maximum signal amplitude and is therefore one clear time reference. Due to the high edge steepness of the pulses according to the invention can often be based on a common dynamic ratio threshold detector that is time-sensitive edge point when the 50% signal level is reached, be dispensed with. The unique time reference can also according to claim 64 via a differentiation of the ultra rapid impulses are obtained via the signal zero crossing.

Die Samplingtechnik ermöglicht eine sehr genaue Laufzeitmessung mit geringem Schaltungs- und Kostenaufwand. Mittels des Samplingprinzips kann die schwierige hochauflösende direkte Zeitmessung an den schnellen Echtzeitimpulsen umgangen werden. Ein grundlegendes Problem bei dem bekannten Entfernungsmeßgerät in Ref. 2 resultiert aus der Verwendung von zwei separaten Samplingstufen, eine für die Referenzsignale und eine für die Meßsignale. Eine präzise Entfernungsmessung mit Meßunsicherheiten im unteren Millimeterbereich oder Submillimeterbereich setzt einen idealen Temperaturgleichlauf über den gesamten Betriebs­ temperaturbereich voraus, was praktisch nicht erreicht werden kann. Darüber hinaus ist das Paaren von Samplingeinheiten mit annähernd gleicher Temperaturdrift mit einem hohen tech­ nischen Aufwand verbunden. Eine Temperaturstabilisierung mit Hilfe von Peltier-Elementen ist aufwendig; die Abführung der Temperaturstrahlung innerhalb eines geschlossenen Gerätegehäuses ist grundsätzlich kritisch. Daher werden gemäß Anspruch 17 die von einem gemeinsamen photoelektrischen Wandler empfangenen vorzugsweise periodischen optischen Meßsignale und die den Referenzzeitpunkt bestimmenden optischen Referenzsignale besser mittels einer gemeinsamen Samplingeinheit abgetastet und die zeitsignifikanten Punkte in der erfindungsgemäßen Weise an den gesampelten Signalen durchgeführt.Sampling technology enables very precise runtime measurement with low switching and expense. Using the sampling principle, the difficult high-resolution direct Time measurement on the fast real-time pulses can be bypassed. A basic one Problem with the known distance measuring device in Ref. 2 results from the use of two separate sampling stages, one for the reference signals and one for the measurement signals. A precise distance measurement with measurement uncertainties in the lower millimeter range or Submillimeter range sets an ideal temperature synchronization over the entire operation temperature range ahead, which is practically impossible to achieve. Beyond that it is Pairs of sampling units with approximately the same temperature drift with a high tech niche effort. Temperature stabilization with the help of Peltier elements is complex; the dissipation of temperature radiation within a closed Device housing is fundamentally critical. Therefore, according to claim 17, the one common photoelectric converter preferably received periodic optical Measurement signals and the optical reference signals determining the reference time better sampled by means of a common sampling unit and the time-significant points in the performed according to the invention on the sampled signals.

Eine besondere Problematik bei der Entfernungsmessung resultiert aus der Nichtlinearität des photoelektrischen Wandlers. Aufgrund nichtlinearer Effekte führt die Dynamik des Empfangssignals zu Meßfehlern. Diese Erfahrung gilt unabhängig von der optischen Signalform. Insbesondere tritt dieser Effekt verstärkt bei Avalanche-Photodioden auf, bei denen bei größeren Signalamplituden die Verstärkung aufgrund von Sättigungseffekten abnimmt. Unter der Annahme, daß das Produkt der Verstärkung und Bandbreite konstant bleibt, erhöht sich die Bandbreite mit abnehmender Verstärkung, d. h. die Vorderflanke des detektierten Impulses versteilert sich, so daß sich der zeitsignifikante Punkt zu kleineren Zeitwerten verschiebt. Damit werden bei konstantem Meßabstand zu einem Meßobjekt Meßentfernungen angezeigt, die vom jeweiligen Reflexionsgrad der Meßoberfläche abhängen. Es wird daher u. a. in der Europäischen Patentanmeldung 57447 (Ref. 3) festgestellt, daß eine optimale Meßgenauigkeit nur dann erzielbar ist, wenn die Amplituden der optisch empfangenen Referenz- und Meßsignale möglichst gleich sind. Dazu dienen bekannterweise einstellbare mechanische Dämpfungsglieder in Form von Filterrädern oder Graukeilen bzw. elektromagnetisch betriebene faseroptische Umschalter in den optischen Strecken der Referenz- und/oder Meßsignale. Solche Zusatzeinrichtungen führen dazu, daß sie aufgrund ihrer größeren Ansprechzeit die Meßzeit verlängern. Darüberhinaus erhöhen sie den technischen Aufwand.A particular problem with distance measurement results from the non-linearity of the photoelectric converter. Due to nonlinear effects, the dynamics of the Receive signal for measurement errors. This experience applies regardless of the visual Waveform. In particular, this effect occurs increasingly with avalanche photodiodes those with larger signal amplitudes gain due to saturation effects decreases. Assuming that the product of the gain and bandwidth is constant remains, the bandwidth increases with decreasing gain, i. H. the leading edge of the Detected pulse increases, so that the time-significant point becomes smaller Fair values shifts. With a constant measuring distance, this becomes a test object Measuring distances displayed, which depend on the respective reflectance of the measuring surface. It is therefore u. a. in European Patent Application 57447 (Ref. 3) found that a optimal measurement accuracy can only be achieved if the amplitudes of the optical received reference and measurement signals are as similar as possible. As you know, serve adjustable mechanical attenuators in the form of filter wheels or gray wedges or Electromagnetically operated fiber optic switches in the optical lines of the Reference and / or measurement signals. Such additional devices cause them due to their longer response times extend the measuring time. In addition, they increase the technical effort.

Eine weitere Möglichkeit, das Nichtlinearitätsproblem anzugehen, besteht darin, Bauelemente mit möglichst schwachem nichtlinearen Übertragungsverhalten zu verwenden. Eine solche hardware-mäßge Optimierung ist langwierig. Bei den geforderten hohen Meßgenauigkeiten im Submillimeterbereich beispielsweise für Aufgaben der Qualitätskontrolle sind auch die verbleibenden nichtlinearen Bauelement-Kenngrößen oft nicht mehr tolerierbar.Another way to address the nonlinearity problem is to use devices  to be used with the weakest possible non-linear transmission behavior. Such Hardware-based optimization is lengthy. With the required high measuring accuracy in the sub-millimeter range, for example for quality control tasks remaining non-linear component parameters are often no longer tolerable.

Es ist daher nach Anspruch 18 vorteilhafter, die nichtlinearen Eigenschaften der eingesetzten Bauelemente bzw. Komponenten über einen meßtechnischen Kalibriervorgang exakt zu vermessen. Eine Korrekturreferenz (Nullfehlerkorrektur) kann vorzugsweise durch Gleichheit der Signalamplitude von Referenz- und Meßsignal festgelegt werden. Die Kalibrations­ prozedur wird beispielsweise in der Form durchgeführt, daß das von einem feststehenden Retroreflektor empfangene optische Meßsignal über einen optischen Dämpfer in der Intensität stufenweise gedämpft wird. Die Kalibrierkennlinie, die insbesondere bei Avalanche- Photodioden stark nichtlinear ist, ist dann durch die negativen Abweichungen der vom Entfernungsmeßgerät angezeigten Entfernungswerte in Abhängigkeit der Intensität des Empfangssignals gegeben. Die Korrekturdaten liegen anschließend in der Mikroprozessorein­ heit in analytischer Form oder in Form einer Look-up-Tabelle vor. Eine Meßfehlerkorrektur erfordert zusätzlich eine Einheit zur meßtechnischen Bestimmung der jeweiligen Signalamplitude.It is therefore more advantageous according to claim 18, the non-linear properties of the used Components exactly through a metrological calibration process measured. A correction reference (zero error correction) can preferably be by equality the signal amplitude of the reference and measurement signal. The calibration The procedure is carried out, for example, in the form of a fixed one Retroreflector received optical measurement signal via an optical attenuator in intensity is gradually dampened. The calibration characteristic, which is particularly important for avalanche Photodiodes is strongly non-linear, is then due to the negative deviations from the Distance meter displayed distance values depending on the intensity of the Received signal given. The correction data are then in the microprocessor unit in analytical form or in the form of a look-up table. A measurement error correction additionally requires a unit for determining the respective measurement technology Signal amplitude.

Ein anderes der Erfindung zugrunde liegendes bevorzugtes Verfahren der Meßfehlerkorrektur nach Anspruch 19 ist das folgende. Es stehen mittlerweile höchstfrequenztechnische Methoden der sehr genauen meßtechnischen Charakterisierung, Modellierung sowie Simulation nichtlinearer Bauelemente zur Verfügung (siehe beispielsweise G. Kompa, Modeling of dispersive microwave FET devices using a quasi-static approach, zur Veröffentlichung in MMWCAE, John Wiley & Sons, 1995). Die Anwendung auf Photodio­ den führt auf nichtlineare Netzwerkmodelle mit nichtlinearen Modellelementen. Über eine Simulation des Übertragungsverhaltens mit unterschiedlichen Empfangspegeln lassen sich rechnergestützt amplitudenabhängige Signallaufzeiten bestimmen; diese können dann in der Zeitmeßeinrichtung zur Meßfehlerkorrektur herangezogen werden. Zur Durchführung der Meßfehlerkorrektur ist wiederum die laufende Information über die Amplitude der Empfangssignale erforderlich. Der wesentliche Vorteil dieser Vorgehensweise liegt darin, daß es nicht mehr notwendig ist, das nichtlineare Verhalten eines jeden Bauelements oder einer jeden Komponente hardwaremäßig durch aufwendige Schaltkreise individuell zu linearisieren, oder durch Suche nach Ersatzkomponenten mit geringeren nichtlinearen Eigenschaften zu optimieren, sondern vielmehr wird die über einen Kalibrierprozeß gewonnene genaue Kenntnis der Auswirkung der jeweiligen nichtlinearen Eigenschaften auf die Laufzeitmessung genutzt, um rechnergestützt über ein Korrekturprogramm eine entsprechende Meßfehlerkorrektur der gemessenen Entfernung beispielsweise in der Mikroprozessoreinheit vorzunehmen. Im Gegensatz zum rein meßtechnischen Kalibrierverfahren nach Anspruch 18 ist das Rechnermodell allgemeingültig, d. h. unabhängig von den jeweiligen Betriebsbedingungen kann die Mikroprozessoreinheit eine Fehlerkorrektur vornehmen.Another preferred method of measuring error correction on which the invention is based according to claim 19 is the following. There are now high-frequency technology Methods of very precise metrological characterization, modeling as well Simulation of nonlinear components is available (see e.g. G. Kompa, Modeling of dispersive microwave FET devices using a quasi-static approach, for Publication in MMWCAE, John Wiley & Sons, 1995). The application on Photodio leads to nonlinear network models with nonlinear model elements. Over a The transmission behavior can be simulated with different reception levels determine amplitude-dependent signal propagation times with computer assistance; these can then be in the Timing device can be used for measuring error correction. To carry out the Measurement error correction is again the current information about the amplitude of the Receive signals required. The main advantage of this approach is that the non-linear behavior of each component or one is no longer necessary hardware linearization of each component individually by means of complex circuits, or by looking for replacement components with lower non-linear properties optimize, but rather the exact obtained through a calibration process Knowledge of the impact of the respective non-linear properties on the transit time measurement used to create a corresponding computer-aided correction program Measurement error correction of the measured distance, for example in the microprocessor unit to make. In contrast to the purely metrological calibration method according to claim 18 is the computer model generally valid, d. H. regardless of the respective Operating conditions, the microprocessor unit can make an error correction.

Eine rechnergestützte Fehlerkorrektur der nichtlinearen Übertragungseigenschaften insbesondere von Photodioden macht die bekannte Einfügung von optischen Dämpfern zur Signalangleichung prinzipiell überflüssig. Dadurch entfällt die Regelzeit der optischen Dämpfer, wodurch sich die Meßzeit erheblich verringert. Die empfangenen Meßsignale können damit nach Anspruch 20 unmittelbar dem photoelektrischen Wandler zugeführt werden, wodurch sich der technische Aufwand erheblich reduziert. A computer-aided error correction of the non-linear transmission properties the well-known insertion of optical dampers, in particular, of photodiodes In principle, signal adjustment is superfluous. This eliminates the control time of the optical Damper, which significantly reduces the measurement time. The received measurement signals can thus directly according to claim 20 supplied to the photoelectric converter be, which significantly reduces the technical effort.  

Mittels eines Scanners kann ein erfindungsgemäßes Entfernungsmeßgerät gemäß Anspruch 21 für zwei- sowie dreidimensionale (2D, 3D) Meßaufgaben eingesetzt werden. Dabei bestimmt der Meßfleckdurchmesser des optischen Strahls die laterale Entfernungsauflösung. Problematisch ist bei diesen Meßaufgaben die Verwendung von leistungsstarken Laserdioden mit breiten Emissionsaperturen, wie beispielsweise in Ref. 2 gegeben, da es aufgrund der optischen Abbildungsgesetze nicht möglich ist, die Strahlung in einer Entfernung von einigen Metern auf einen Strahldurchmesser von etwa einem Millimeter zu fokussieren, was im Rahmen von Aufgaben zur Qualitätskontrolle ein oft geforderter Meßfleckwert ist. Eine 2D- oder 3D-Vermessung mit einer hohen lateralen Auflösung erfordert daher nach Anspruch 22 hinreichend kleine Laseraperturen, wie sie beispielsweise bei SH-Lasern mit geringer optischer Nennleistung gegeben sind. Erfindungsgemäß läßt sich jedoch eine erhebliche Leistungssteigerung durch Modulation der Laserdioden mittels einer Höchstinjektion erreichen. Die Anwendung der der Erfindung zugrunde liegenden Strommodulation mit Höchstinjektion ermöglicht die Laseremission in einem Superspike, dessen optische Leistung ein Vielfaches der Laserdioden-Nennleistung bei hinreichend kleiner Laserapertur beträgt.A distance measuring device according to the invention can be used by means of a scanner 21 can be used for two- and three-dimensional (2D, 3D) measurement tasks. Here the spot diameter of the optical beam determines the lateral range resolution. The problem with these measurement tasks is the use of powerful laser diodes with wide emission apertures, such as given in Ref. 2, because it is due to the Optical imaging laws do not allow radiation at a distance of some Focus on a beam diameter of about one millimeter, which in As part of quality control tasks, a measurement spot value is often required. A 2D or 3D measurement with a high lateral resolution therefore requires according to claim 22 sufficiently small laser apertures, such as those with low SH lasers optical power are given. According to the invention, however, it can be considerable Increased performance through modulation of the laser diodes by means of maximum injection to reach. The application of the current modulation on which the invention is based Maximum injection enables laser emission in a superspike, its optical power is a multiple of the laser diode nominal power with a sufficiently small laser aperture.

Eine Meßfleckminimierung großflächiger Laseraperturen kann dadurch erreicht werden, daß nach Anspruch 23 ein Laserchip mit größerer Apertur mittels einer Taperung eines optischen Wellenleiters auf eine kleinere Emissionsapertur reduziert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der optische Wellenleitertaper aus einer getaperten optischen Faser.A measurement spot minimization of large-area laser apertures can be achieved in that according to claim 23, a laser chip with a larger aperture by tapering an optical Waveguide is reduced to a smaller emission aperture. In a preferred one Embodiment, the optical waveguide taper consists of a tapered optical fiber.

Nach Anspruch 24 kann das Abtasten von Meßobjekten auch mittels eines faseroptischen Scanners gemäß einer möglichen Ausführungsform in der DE 39 04 634C2 erfolgen.According to claim 24, the scanning of measurement objects can also be done by means of a fiber optic Scanners according to a possible embodiment in DE 39 04 634C2.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren in der nun folgenden Beschreibung näher erläutert. Von den Figuren zeigen:The invention will now be described with reference to the accompanying figures in the description which follows explained. From the figures show:

Fig. 1 das Blockschema eines Laserentfernungsmeßgeräts bekannter Art, Fig. 1 is a block diagram of a laser range finder known type,

Fig. 2 das Blockschema eines Laserentfernungsmeßgeräts nach der Erfindung, Fig. 2 is a block diagram of a laser range finder according to the invention,

Fig. 3 Bandstruktur eines SH-Lasers (A), Brechzahlprofil und Intensitätsverteilung der optischen Welle bei quasi-statischer bzw. dynamischer Strommodulation bekannter Art (B), Fig. 3 SH band structure of a laser (A), refractive index profile and intensity distribution of the optical waveguide quasi-static or dynamic in current modulation of a known type (B),

Fig. 4 die wellenlängenabhängige Änderung des Realteils der Brechzahl des laseraktiven Materials (A) sowie den wellenlängenabhängigen Materialgewinn (B) als Funktion der injizierten Ladungsträgerdichte eines SH-Lasers, Fig. 4 shows the wavelength-dependent variation of the real part of the refractive index of the laser active material (A) and the wavelength-dependent gain material (B) as a function of the injected carrier density of a SH-laser,

Fig. 5 den Zeitverlauf eines erfindungsgemäßen optischen Superspikes, Fig. 5 shows the time course of an optical Super spikes according to the invention,

Fig. 6 den erfindungsgemaßen Pumpstromgenerator (A) und ein Detailausschnitt (B) mit Entladekreis und Laserdiode, Fig. 6 shows the inventive pump current generator (A) and a detailed section (B) with discharge circuit and the laser diode,

Fig. 7 bevorzugte erfindungsgemäße Weiterbildungen des Entladekreises mit Laserdiode: Wärmesenke mit positiver Polarität (A), Wärmesenke mit negativer Polarität (B), Beispiel für einen mikrosystemtechnischen Aufbau (C), Fig. 7 is further developments of the invention preferred of the discharge circuit with the laser diode: heat sink with a positive polarity (A), a heat sink with a negative polarity (B), an example of a microsystem structure (C),

Fig. 8 erfindungsgemäße beispielhafte Ausführungsformen der direkten Referenzsignalgewinnung: Gemeinsame für Referenz- und Meßsignal wirksame photoempfindliche Fläche (A), laterale Einkopplung des Referenzsignals in die Photodiode (B), Fig. 8, exemplary embodiments of the direct reference signal extraction according to the invention: Joint for reference and measurement signal effective photosensitive area (A), lateral coupling of the reference signal in the photodiode (B),

Fig. 9 Ersatzschaltung eines erfindungsgemäßen breitbandigen Photoempfängerschalt­ kreises (A), typische Impulsform eines empfangenen erfindungsgemäßen ultra­ kurzen Laserimpulses (B), Fig. 9 equivalent circuit of a broadband photoreceiver switching circuit according to the invention (A), typical pulse shape of a received invention ultrashort laser pulse (B),

Fig. 10 eine Ersatzschaltung eines Photodetektors bekannter Art (A) und eine erfindungsgemäße erweiterte Ersatzschaltung (B) zur Kompensation von Hintergrundstrahlungseffekten, Fig. 10 is an equivalent circuit of a photodetector of known type (A) and an extended spare circuit according to the invention (B) for compensating background radiation effects,

Fig. 11 eine vereinfachte Darstellung der erfindungsgemäßen Zeitabstandsmessung an ultra-kurzen Impulsen: Einfache technische Ausführungsform mit Hilfe eines integrierten Bausteins TDC 10000 (A), erhöhte Zeitauflösung mittels eines Mikrowellenoszillators (B)
Fig. 12 das Blockschema eines bekannten Laserentfernungsmeßgeräts nach dem Samplingprinzip,
Figure 11 is a simplified representation of the time distance measurement according to the invention in ultra-short pulses. Simple technical embodiment with the aid of an integrated package TDC 10000 (A), increased time resolution by means of a microwave oscillator (B)
Fig. 12 shows the block diagram of a known laser range finder according to the sampling principle

Fig. 13 das Blockschema eines erfindungsgemäßen Laserentfernungsmeßgeräts nach dem Samplingprinzip, Fig. 13 is a block diagram of a laser range finder according to the invention according to the sampling principle

Fig. 14 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der fehlerhaften Bestimmung des zeitsignifikanten Punktes bei unterschiedlichen Signalpegeln aufgrund von Nichtlinearitätseffekten des photoelektrischen Wandlers. Fig. 14 is a graph for explaining the erroneous determination of the time-significant point at different signal levels due to non-linearity effects of the photoelectric converter.

Fig. 1 zeigt das vereinfachte Blockdiagramm eines Entfernungsmessers bekannter Art. Ein von einem Oszillator 37 kontrollierter Pumpstromgenerator 1 mit einer typischen Impulsfolgefrequenz von einigen Kilohertz steuert einen Lasersender 2 an, der eine Halbleiterlaserquelle aufweist, die zur Bereitstellung einer größeren optischen Leistung üblicherweise aus mehreren elektrisch in Serie geschalteten und aufeinandergestapelten Halbleiterchips (Laserdiodenstack) besteht. Der größte Teil 4 der emittierten Laserstrahlung 75 wird über eine Sendeoptik 3 auf das Ziel 5 abgestrahlt, dort reflektiert und als optisches Meßsignal 6 über eine Empfangsoptik 7 einer Photodiode 9 zugeführt, die das optische Meßsignal 78 in ein elektrisches Meßsignal 10 umwandelt. Fig. 1 shows the simplified block diagram of a range finder known type. A from an oscillator 37 controlled pump current generator 1 with a typical pulse repetition rate of several kilohertz controls a laser transmitter 2 of which has a semiconductor laser source for providing a larger optical power is usually from several electrically in Series connected and stacked semiconductor chips (laser diode stack) exists. The major part 4 of the emitted laser radiation 75 is emitted onto the target 5 via an optical transmitter 3 , reflected there and fed as an optical measurement signal 6 via an optical receiver 7 to a photodiode 9 , which converts the optical measurement signal 78 into an electrical measurement signal 10 .

Über einen optischen Koppler 15 gelangt ein geringer Teil der optischen Sendeleistung 77 als Referenzsignal 14 ebenso auf den Photodetektor 9 (Zeitreferenz). Der am Ausgang auftretende Doppelimpuls wird über einen Verstärker 11 verstärkt, einer Torimpulserzeuger­ stufe 72 zugeführt und in einer Zeitmeßeinrichtung 22 ausgewertet. Der optische Koppler ist üblicherweise ein Strahlteiler oder ein kleinflächiger Umlenkspiegel. Ebenso üblich ist es, das Referenzsignal über eine optische Faser 16 auf den Detektor zu leiten.A small part of the optical transmission power 77 reaches the photodetector 9 (time reference) as a reference signal 14 via an optical coupler 15 . The double pulse occurring at the output is amplified via an amplifier 11 , a gate pulse generator stage 72 is fed and evaluated in a time measuring device 22 . The optical coupler is usually a beam splitter or a small-area deflecting mirror. It is also common to route the reference signal to the detector via an optical fiber 16 .

Üblicherweise wird mit Laserimpulsen gearbeitet, die eine Impulslänge von 5 bis 20 ns aufweisen. Das bedeutet, daß sich die Referenz- und Meßimpulse bei einer kurzen Meßentfernung überlappen; eine einwandfreie Impulsabstandsmessung ist dann nicht mehr möglich. Abhilfe kann dann dadurch geschaffen werden, daß der Referenzimpuls über eine optische Faser größerer Länge so sehr verzögert wird, daß dieser auch im Falle maximaler Meßentfernung nach dem Meßimpuls am Detektor eintrifft. Dies kann unter Umständen zu Faserlängen von einigen hundert Metern führen. Besonders nachteilig ist dann, daß die lange Referenzfaser aufgrund des endlichen Krümmungsradius ein größeres Volumen der Sende- /Empfangseinheit zur Folge hat. Weiterhin führen temperaturbedingte Längenänderungen der Faser praktisch zu nicht kontrollierbaren Laufzeitänderungen der optischen Impulse, so daß für eine präzise Entfernungs- bzw. Laufzeitmessung erfindungsgemäß eine längere optische Referenzfaser vermieden werden muß.Usually laser pulses are used which have a pulse length of 5 to 20 ns exhibit. This means that the reference and measuring pulses change during a short Overlap measuring distance; a perfect pulse distance measurement is then no longer  possible. Remedy can then be created in that the reference pulse over a optical fiber of greater length is delayed so much that it also in the case of maximum Measuring distance arrives at the detector after the measuring pulse. Under certain circumstances, this can Lead fiber lengths of a few hundred meters. It is particularly disadvantageous that the long Reference fiber due to the finite radius of curvature a larger volume of the transmit / Receiving unit results. Furthermore, temperature-related changes in length of the Fiber practically uncontrollable transit time changes of the optical pulses, so that for a precise distance or transit time measurement according to the invention a longer optical Reference fiber must be avoided.

Die in Entfernungsmeßgeräten verwendeten Photoempfänger bekannter Art weisen Bandbreiten von typisch 250 MHz auf. Damit liegen die Impulsflanken zur Bestimmung der zeitsignifikanten Punkte typisch bei 1.5 ns, so daß die im Nennbetrieb von einer SH- Laserdiode bereitgestellten optischen Impulse mit einer typischen Anstiegszeit < 1 ns nicht voll genutzt werden, was prinzipiell einer Verschlechterung der potentiellen Meßgenauigkeit bedeutet, da diese sich direkt proportional zur Anstiegszeit verhält. Ziel eines Radarkonzepts zur genauen Entfernungsmessung sollte es vielmehr sein, die relevanten Impulsflanken so zu versteilern, daß ihre Anstiegszeiten möglichst kleiner als die erforderliche Meßauflösung ist. Damit würden insbesondere die bekannten Probleme der dynamischen Zeitpunktbestimmung entfallen. Gegenüber bekannten Verfahren kommt der hier vorgeschlagene Lösungsweg dem generellen Ziel sehr nahe.The photo receivers of known type used in distance measuring devices have Bandwidths of typically 250 MHz. The pulse edges for determining the time-significant points typically at 1.5 ns, so that in nominal operation by an SH- Laser diode did not provide optical pulses with a typical rise time <1 ns fully used, which in principle deteriorates the potential measurement accuracy means that this is directly proportional to the rise time. The aim of a radar concept it should rather be for the accurate distance measurement, the relevant pulse edges make sure that their rise times are as short as possible than the required measurement resolution. This would in particular address the known problems of dynamic timing omitted. Compared to known methods, the proposed solution comes here general goal very close.

Fig. 2 zeigt das vereinfachte Blockschema eines erfindungsgemäßen Entfernungsmeßgeräts zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1. Die grundsätzliche Funktionsweise ist mit der Darstellung in Fig. 1 vergleichbar. Darüber hinaus bestehen wesentliche vorteilhafte Weiterbildungen, die im folgenden näher erläutert werden. FIG. 2 shows the simplified block diagram of a distance measuring device according to the invention for carrying out the method according to claim 1. The basic mode of operation is comparable to the illustration in FIG. 1. In addition, there are significant advantageous further developments, which are explained in more detail below.

Erfindungsgemäß arbeitet das Entfernungsmeßgerät mit ultra-kurzen Laserimpulsen hoher Impulsfolgefrequenz mit den Vorteilen einer höheren Meßgenauigkeit und einer höheren Meßgeschwindigkeit. Weiterhin erlauben die ultra-kurzen Impulse auch eine Messung im Nahbereich, da ab einem Abstand von einigen Millimetern keine Impulsüberlappung mehr auftritt. Dies hat den Vorteil, daß die übliche Referenzfaser mit temperaturbedingten Laufzeitänderungen entfallen kann. Die steileren Impulsformen tragen dazu bei, daß die Bestimmung der zeitsignifikanten Punkte sehr viel genauer erfolgen kann. Insgesamt führen die erfindungsgemäßen Ansprüche damit zu erheblich verbesserten Entfernungsmeßgeräten, die insbesondere für 1-D-, 2-D- und 3-D-Aufgaben der Qualitätssicherung einsetzbar sind.According to the invention, the distance measuring device works with ultra-short laser pulses Pulse repetition frequency with the advantages of a higher measuring accuracy and a higher Measuring speed. Furthermore, the ultra-short pulses also allow measurement in the Close range, since there is no pulse overlap from a distance of a few millimeters occurs. This has the advantage that the usual reference fiber with temperature-related Changes in term can be omitted. The steeper pulse forms help that the Determination of the time-significant points can be done much more accurately. Overall lead the claims according to the invention thus to considerably improved distance measuring devices, which can be used in particular for 1-D, 2-D and 3-D quality assurance tasks.

Die Erzeugung der ultra-kurzen Laserimpulse erfolgt mit sehr geringem technischem Aufwand vorzugsweise mit preiswerten SH-Lasern. Mit einer bevorzugten erfindungsgemaßen Ausführung eines Entfernungsmeßgeräts mit einer gemeinsamen integrierten Samplingstufe für die Meß- und Referenzsignale werden typische radiale Meßunsicherheiten im Mikrometerbereich erreicht. Laterale Auflösungen liegen in der Größenordnung von 1 mm.The ultra-short laser pulses are generated with very little technical Effort preferably with inexpensive SH lasers. With a preferred one Execution of a distance measuring device according to the invention with a common one Integrated sampling stage for the measurement and reference signals become typical radial Measurement uncertainties in the micrometer range reached. Lateral resolutions are in the Order of 1 mm.

Eine wesentliche erfinderische Aufgabe besteht darin, für die Entfernungsmessung ultra-kurze Laserimpulse zu verwenden. Die in Entfernungsmeßgeräten meist eingesetzten SH- und DH- Laserdioden arbeiten im quasi-statischen Betrieb, d. h. der zeitliche Verlauf des Pumpstroms ist so langsam, daß sich die Intensität der Laseremission des Halbleiterlasers entsprechend der Leistungs-Strom-Kennlinie einstellt. Wie den entsprechenden Datenblätter der Hersteller von Laserdioden entnommen werden kann, liegt bei DH-Lasern der erforderliche bezogene Pumpstromwert bei etwa 1 Ampere/Watt; bei SH-Lasern erhöht sich dieser auf etwa 4 Ampere/Watt. Hohe Pumpstromwerte in der Größenordnung von einigen zehn Ampere lassen sich mit Pumpstromgeneratoren, die Quecksilberschalter oder Thyristoren enthalten, erzeugen. Ihre Impulsfolgefrequenz ist jedoch auf den Hertz- bzw. unteren Kilohertzbereich beschränkt. Avalanche-Transistoren als schnelle Schalter sind insbesondere in Pumpstromge­ neratoren mit geringerer Schaltleistung weit verbreitet. Zum Schalten höherer Pumpströme wird oft eine Anordnung aus mehreren parallelgeschalteten Transistoren verwendet, wobei die Synchronisation des Schaltzeitpunkts der einzelnen Transistoren schwierig ist. Die Impulsfolgefrequenzen bekannter Entfernungsmeßgeräte mit höherer Ausgangsleistung liegen daher vielfach unterhalb von einem Kilohertz. Vereinzelt sind auch höhere Impulsfolgefrequenzen bis etwa 10 kHz bekannt geworden.An essential inventive task is ultra-short for distance measurement Use laser pulses. The SH- and DH- mostly used in distance measuring devices Laser diodes work in quasi-static operation, i. H. the time course of the pump current is so slow that the intensity of the laser emission of the semiconductor laser changes accordingly  the power-current characteristic curve. Like the corresponding data sheets of the manufacturers can be removed from laser diodes, the required reference lies with DH lasers Pump current value at about 1 ampere / watt; for SH lasers this increases to about 4 Amps / watt. Leave high pump current values on the order of a few tens of amperes pump current generators containing mercury switches or thyristors, produce. However, their pulse repetition frequency is in the Hertz or lower kilohertz range limited. Avalanche transistors as fast switches are particularly popular in Pumpstromge Generators with lower switching power are widely used. For switching higher pump currents an arrangement of several transistors connected in parallel is often used, whereby the synchronization of the switching time of the individual transistors is difficult. The Pulse repetition frequencies of known distance measuring devices with higher output power are therefore often below one kilohertz. There are also occasionally higher ones Pulse repetition frequencies up to about 10 kHz have become known.

Im dynamischen Betrieb mit versteilerter Anstiegsflanke des Pumpstromimpulses verläuft die Laseremission nicht mehr zeitsynchron zum Pumpstromverlauf. Es kommt zu einem typischen Einschwingverhalten des Lasers, das als Relaxationsschwingung oder Spiking bekannt ist. Das in Ref. 2 beschriebene Entfernungsmeßgerät bekannter Art arbeitet mit leistungsstarken optischen Sendeimpulsen, die aus wenigen Schwingungsmaxima bzw. Laserspikes bestehen.In dynamic operation with a distributed rising edge of the pump current pulse, the laser emission is no longer synchronized with the pump current. A typical transient behavior of the laser occurs, which is known as relaxation oscillation or spiking. The distance measuring device of known type described in Ref. 2 works with powerful optical transmission pulses, which consist of a few oscillation maxima or laser spikes.

Fig. 3 zeigt die vereinfachte Darstellung der Bandstruktur eines SH-Lasers bekannter Art. Eine genaue Beschreibung des P-p-n Al0.3Ga0.7As-GaAs Materialsystems findet sich beispielsweise in H.C. Casey und M.B. Panish, Heterostructure Lasers, Academic Press, 1978. Sowohl bei quasi-statischer als auch dynamischer Modulation mit Stromamplituden bis zu etwa des 3-fachen Schwellstroms wird durch die injizierten Ladungsträger das durch den AlGaAs/GaAs-Heteroübergang 30 und durch den pn-Übergang 31 hervorgerufene asymmetrische Brechzahlprofil 28 des optischen Wellenleiters des Laserresonators nur unwesentlich verändert. Bei dem gegebenen mehrschichtigen Materialsystem, bestehend aus einer p-dotierten AlGaAs Schicht 25, einer p-dotierten 26 und n-dotierten 27 GaAs Schicht, liegt die Emissionswellenlänge bei Dotierungen bekannter Art näherungsweise bei 904 nm. Sie ändert sich nicht wesentlich während des quasi-statischen bzw. dynamischen Betriebs. Die transversale Verteilung der Intensität 29 der optischen Welle im Laserresonator nimmt trotz einseitig schwacher Indexführung durch den relativ geringen Brechzahlsprung des pn- Übergangs außerhalb des laseraktiven Bereichs 26 stark ab. FIG. 3 is a simplified representation shows the band structure of a SH-laser known type. A detailed description of Ppn Al 0.3 Ga is 0.7 As GaAs material system, for example, in HC Casey and MB Panish, heterostructure laser, Academic Press 1978. Both with quasi-static and dynamic modulation with current amplitudes up to about 3 times the threshold current, the injected charge carriers only make the asymmetrical refractive index profile 28 of the optical waveguide of the laser resonator caused by the AlGaAs / GaAs heterojunction 30 and by the pn junction 31 changed insignificantly. In the given multilayer material system, consisting of a p-doped AlGaAs layer 25 , a p-doped 26 and n-doped 27 GaAs layer, the emission wavelength for doping of known type is approximately 904 nm. It does not change significantly during the quasi static or dynamic operation. The transverse distribution of the intensity 29 of the optical wave in the laser resonator decreases sharply despite one-sided weak index guidance due to the relatively small jump in the refractive index of the pn junction outside the laser-active region 26 .

Gemäß der Erfindung arbeitet das Entfernungsmeßgerät mit optischen Impulsen hoher Leistung und hoher Impulsfolgefrequenz, die aus ultra-kurzen Laserspikes bestehen, die weitgehend die Form symmetrischer Dreieckimpulse haben. Dies wird erfindungsgemäß nach Anspruch 32 durch eine dynamische Höchstinjektion von Ladungsträgern in die aktive Zone eines SH-Lasers, der eine bevorzugte Ausführungsform eines Halbleiterlasers mit schwacher Indexführung darstellt, erreicht. Betragen beispielsweise im Nennbetrieb bekannter Art die maximal zulässigen Pumpströme für einen SH-Laser das 3- bis 4-fache des Schwellstroms, so liegen die Stromamplituden bei der Höchstinjektion um ein Vielfaches höher. Bei dem erfindungsgemäßen Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 25 entspricht die Pumpstromamplitude für den eingesetzten SH-Laser etwa dem 2.5- bis 3-fachen des zulässigen maximalen Stromwerts im quasi-statischen Nennbetrieb. Aufgrund der damit verbundenen höheren Verlustleistung ist eine erhebliche Reduzierung der Pumpstrom­ impulsbreite erforderlich, was durch eine kompakte hybide Schaltungsauslegung des Pumpstromkreises erreicht wird. So liegt die Stromimpulsbreite typisch in der Größenordnung von 2 ns bei Stromamplituden von einigen 10 A. Aufgrund der sehr kurzen Pumpstromimpulse im Vergleich zu Entfernungsmeßgeräten bekannter Art sind damit weit höhere Impulswiederholraten möglich. Üblicherweise liegen die Impulsfolgefrequenzen in der Größenordnung von einigen kHz. In Ref. 2 wird von einer maximalen Frequenz von 10.48 kHz berichtet. Das der Erfindung zugrunde liegende Entfernungsmeßgerät arbeitet vorzugsweise mit einer Frequenz von 40 kHz. Die gegebene Ausführung erlaubt ohne weiteren technischen Aufwand einen Betrieb auch oberhalb von 100 kHz. Bei Verwendung von Substratmaterialien mit einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit zur Temperaturstabilisierung des Transistorschalters im Pumpstromkreis sind Repetierfrequenzen von einigen 100 kHz erreichbar. Gegenüber bekannten Entfernungsmessern bedeutet dies eine erhebliche Leistungssteigerung.According to the invention, the distance measuring device works with optical pulses of high power and high pulse repetition frequency, which consist of ultra-short laser spikes which largely have the shape of symmetrical triangular pulses. According to the invention, this is achieved by dynamic maximum injection of charge carriers into the active zone of an SH laser, which is a preferred embodiment of a semiconductor laser with weak index guidance. For example, if the maximum permissible pump currents for an SH laser are 3 to 4 times the threshold current in nominal operation of known type, the current amplitudes for the maximum injection are many times higher. In the distance measuring device according to the invention, the pump current amplitude for the SH laser used corresponds approximately to 2.5 to 3 times the permissible maximum current value in quasi-static nominal operation. Due to the associated higher power loss, a significant reduction in the pump current pulse width is required, which is achieved by a compact hybrid circuit design of the pump circuit. The current pulse width is typically in the order of 2 ns with current amplitudes of a few 10 A. Because of the very short pump current pulses compared to distance measuring devices of a known type, far higher pulse repetition rates are possible. The pulse repetition frequencies are usually on the order of a few kHz. Ref. 2 reports a maximum frequency of 10.48 kHz. The distance measuring device on which the invention is based preferably operates at a frequency of 40 kHz. The given design allows operation above 100 kHz without further technical effort. When using substrate materials with an increased thermal conductivity to stabilize the temperature of the transistor switch in the pump circuit, repetition frequencies of a few 100 kHz can be achieved. Compared to known rangefinders, this means a significant increase in performance.

Die ultra-kurzen Laserimpulse bestehen aus einem einzigen Anfangsspike der Relaxationsschwingung des Lasers, deren optische Spitzenleistung die Lasernennleistung im quasi-statischen und dynamischen Betrieb um ein Vielfaches übertrifft, beispielsweise um den Faktor 10 bis 15. In diesem Fall arbeitet der Laser im indexgeführten Gain-Switching Mode. Ohne Pumpstrom stellt das mehrschichtige Materialsystem des Laserresonators einen optischen Wellenleiter mit einseitig schwacher Indexführung dar. Im quasi-statischen sowie dynamischen Nennbetrieb wird das Übertragungsverhalten des Wellenleiters durch die injizierten Ladungsträger kaum verändert. Bei der erfindungsgemäßen Pumpstrommodulation einer Höchstinjektion werden die üblichen Werte der Ladungsträgerdichten erheblich überschritten, so daß der durch die unterschiedliche Dotierung des GaAs-Materials hervorgerufene Brechzahlsprung 31 mit wachsender Ladungsträgerdichte immer mehr abgebaut wird. Damit nimmt die Indexführung des pn-Übergangs ab, womit sich die Intensitätsverteilung 29 verstärkt in den passiven Bereich 27 ausdehnt, was eine Abnahme des sogenannten Confinementfaktors und damit eine Erhöhung des quasi-statischen Schwellstroms zur Folge hat. Wird nun der Pumpstromimpuls in der Weise geformt, daß seine Anstiegsflanke extrem steil ist, so können auch nach Erreichen der sogenannten kritischen Trägerdichte, bei der Laseremission nach einer gewissen Verzögerungszeit auftreten kann, weiterhin kräftig Ladungsträger in den laseraktiven Bereich gepumpt. Mit den injizierten Ladungsträgern nimmt der Confinementfaktor weiter ab, es steigt aber der Materialgewinn. Übertrifft der modale Gewinn aus Materialgewinn und Confinementfaktor die Resonatorverluste, dann erfolgt eine ultra-kurze Laseremission. Aufgrund der gegenüber dem Nennbetrieb weit höheren Ladungsträgerdichte übertrifft die Laserintensität die Nennleistung um ein Vielfaches. Bei diesem erfindungsgemäßen indexgeführten Gain- Switching Betrieb des SH-Lasers ist die maximale Amplitude des Pumpstroms dadurch begrenzt, das mit den injizierten Ladungsträgern eine Indexführung der optischen Welle im Laserresonator - wenn auch sehr schwach - gerade noch aufrechterhalten bleibt. Ein Indiz für diesen erfindungsgemäßen Gain-Switching Lasermode ist die Wellenlänge der Laseremission, die näherungsweise der im Nennbetrieb entspricht.The ultra-short laser pulses consist of a single initial spike of the relaxation oscillation of the laser, the optical peak power of which exceeds the nominal laser power in quasi-static and dynamic operation by a multiple, for example by a factor of 10 to 15. In this case, the laser works in the index-guided gain Switching mode. Without pump current, the multilayer material system of the laser resonator is an optical waveguide with weak index guidance on one side. In quasi-static and dynamic nominal operation, the transmission behavior of the waveguide is hardly changed by the injected charge carriers. In the pump current modulation of a maximum injection according to the invention, the usual values of the charge carrier densities are considerably exceeded, so that the jump in refractive index 31 caused by the different doping of the GaAs material is reduced more and more with increasing charge carrier density. The index guidance of the pn transition thus decreases, with the result that the intensity distribution 29 expands increasingly into the passive region 27 , which results in a decrease in the so-called confinement factor and thus an increase in the quasi-static threshold current. If the pump current pulse is shaped in such a way that its rising edge is extremely steep, even after reaching the so-called critical carrier density, in which laser emission can occur after a certain delay, charge carriers can still be pumped vigorously into the laser-active region. The confinement factor continues to decrease with the injected charge carriers, but the material gain increases. If the modal gain from material gain and confinement factor exceeds the resonator losses, then an ultra-short laser emission takes place. Due to the much higher charge carrier density compared to the nominal operation, the laser intensity exceeds the nominal power many times over. In this index-guided gain switching operation of the SH laser according to the invention, the maximum amplitude of the pump current is limited by the fact that, with the injected charge carriers, an index guidance of the optical wave in the laser resonator - even if it is very weak - is just maintained. An indication of this gain switching laser mode according to the invention is the wavelength of the laser emission, which approximately corresponds to that in nominal operation.

Eine weitere der Erfindung zugrunde liegende bevorzugte Modulationsart von SH-Lasern ist nach Anspruch 33 der indexgeführte Q-Switching Mode, der Stromimpulse mit extrem schnellen Stromimpulsanstiegsflanken und extrem hohen Pumpstromamplituden erfordert. In diesem Fall nimmt die Trägerdichte innerhalb der normalen Verzögerungszeit zwischen Stromimpuls und Laseremission so stark zu, daß die bei geringeren Pumpstromimpulsen gegebene Indexführung des optischen Wellenleiters zunächst aufgehoben wird (siehe Brechzahlverlauf 67 in Fig. 3B). Fig. 4A zeigt den prinzipiellen wellenlängenabhängigen Verlauf der von der Trägerdichte abhängigen Brechzahländerung Δn. Die Trägerdichte n₁ 32 repräsentiert den bei SH-Lasern üblichen Nennbetriebszustand. Die von den injizierten Ladungsträgern hervorgerufene Brechzahländerung ist vernachlässigbar gering. Die Trägerdichte n₂ 33 beschreibt eine Höchstinjektion von Ladungsträgern mit gravierender Auswirkung auf das Brechzahlprofil und damit auf die Ausbreitungseigenschaften des optischen Wellenleiters des Laserresonators. Eine Laseremission mit der üblichen Wellenlänge von etwa 904 nm ist nicht mehr möglich, da die injizierte Ladungsträgerdichte einen negativen Beitrag zum Realteil des Brechungsindex 34 liefert und der Brechzahlsprung des pn-Übergangs abgebaut wird. Da der optische Wellenleiter nicht mehr existiert, können weitere Ladungsträger injiziert werden. Mit den Ladungsträgern steigt der Materialgewinn. Wie Fig. 4B verdeutlicht, ist auch der Materialgewinn wellenlängenabhängig. Mit zunehmender Trägerdichte verschiebt sich das Maximum des Gewinns zu kleineren Wellenlängen. Für das Einsetzen der Laseraktivität ist das Produkt aus Materialgewinn und Confinementfaktor, der sogenannte modale Gewinn, wesentlich. Laseremission ist dann im indexgeführten Q-Switching Mode gegeben, sobald der modale Gewinn die Laserresonator­ verluste überkompensiert. Mit der andauernden Ladungsträgerinjektion bei unterdrückter Indexführung nimmt der Materialgewinn zu kleineren Wellenlängen mehr und mehr zu, gleichzeitig erhöht sich in diesem Wellenlängenbereich die Brechzahl im laseraktiven Bereich. Nach einer anomalen Verzögerungszeit von einigen Nanosekunden emittiert schließlich der SH-Laser bei einer gegenüber dem Nennbetrieb kleineren Wellenlänge. Aufgrund der anomalen Verzögerungszeit ist die gespeicherte Ladungsträgerdichte besonders hoch, was zu einem Superspike der Laseremission mit extrem hoher Amplitude führt.Another preferred type of modulation of SH lasers on which the invention is based is the index-guided Q-switching mode, which requires current pulses with extremely fast current pulse rising edges and extremely high pump current amplitudes. In this case, the carrier density increases so much within the normal delay time between the current pulse and the laser emission that the indexing of the optical waveguide given at lower pump current pulses is initially canceled (see refractive index curve 67 in FIG. 3B). Fig. 4A shows the principle of wavelength-dependent course of which depends on the carrier density change in refractive index .DELTA.n. The carrier density n ₁ 32 represents the nominal operating state common in SH lasers. The change in refractive index caused by the injected charge carriers is negligible. The carrier density n₂ 33 describes a maximum injection of charge carriers with a serious impact on the refractive index profile and thus on the propagation properties of the optical waveguide of the laser resonator. Laser emission with the usual wavelength of approximately 904 nm is no longer possible since the injected charge carrier density makes a negative contribution to the real part of the refractive index 34 and the jump in the refractive index of the pn junction is reduced. Since the optical waveguide no longer exists, additional charge carriers can be injected. The material gain increases with the load carriers. As FIG. 4B illustrates, the material gain is also dependent on the wavelength. With increasing carrier density, the maximum of the gain shifts to smaller wavelengths. The product of material gain and confinement factor, the so-called modal gain, is essential for the onset of laser activity. Laser emission is then given in the index-guided Q-switching mode as soon as the modal gain more than compensates for the laser resonator losses. With the continuous charge carrier injection with suppressed index guidance, the material gain to smaller wavelengths increases more and more, at the same time the refractive index in the laser-active range increases in this wavelength range. After an abnormal delay time of a few nanoseconds, the SH laser finally emits at a wavelength that is smaller than the nominal operation. Due to the anomalous delay time, the stored charge density is particularly high, which leads to a superspike of the laser emission with an extremely high amplitude.

Die Verzögerungszeit, die nach der Stromansteuerung eines Lasers bis zu seiner Emission vergeht, ist bekanntlich bei gegebener Pumpstromamplitude vom Wert des Schwellstroms abhängig. Da dieser von der Temperatur des Lasers abhängt, kann die Verzögerungszeit über eine Temperaturstabilisierung kontrolliert eingestellt werden. Laserdioden mit geringen Schwellstromdichten, die bei Höchstinjektion im indexgeführten Gain-Switching Mode arbeiten, lassen sich nach Anspruch 34 durch temperaturkontrolliertes Anheben des Schwellstromwertes auf einfache Weise in den indexgeführten Q-Switching Mode überführen.The delay time after a laser is powered up to its emission passes, as is known for a given pump current amplitude of the value of the threshold current dependent. Since this depends on the temperature of the laser, the delay time can be over temperature stabilization can be set in a controlled manner. Laser diodes with low Threshold current densities at maximum injection in index-guided gain switching mode work, can be according to claim 34 by temperature-controlled lifting the Simply convert the threshold current values into the index-guided Q-switching mode.

Der in Fig. 5 beispielhaft dargestellte erfindungsgemäße optische Superspike mittels dynamischer Höchstinjektion unterscheidet sich grundlegend von den Signalformen bekannter Art, die in optischen Entfernungsmeßgeräten Verwendung finden. Sie haben insbesondere eine sehr viel steilere Anstiegsflanke, die bei Verwendung in Entfernungsmeßgeräten mit Einzelimpulsauswertung bekannter Art unmittelbar zu einer erheblichen Leistungssteigerung hinsichtlich Meßgenauigkeit und Meßgeschwindigkeit führen.The optical superspike according to the invention shown by way of example in FIG. 5 by means of dynamic maximum injection differs fundamentally from the signal forms of the known type which are used in optical distance measuring devices. In particular, they have a much steeper rising edge, which, when used in distance measuring devices with single pulse evaluation of a known type, leads directly to a considerable increase in performance in terms of measuring accuracy and measuring speed.

Die der Erfindung zugrunde liegende neuartige Modulation der dynamischen Höchstinjektion von typischen SH-Laserdioden führt dazu, daß diese ein Vielfaches ihrer optischen Nennleistung emittieren. So beträgt die Nennleistung einer LD-60 2.3 Watt. Wie Fig. 5 verdeutlicht, emittiert die Laserdiode im neuen Betriebszustand etwa 90 Watt, d. h. eine um den Faktor 39 höhere optische Impulsleistung. Damit werden gleichzeitig zwei Ziele erreicht: Die Bandbreite der erfindungsgemaßen ultra-kurzen optischen Signale ist weit größer als die bekannter Art. Das gleiche gilt für die erzeugten optischen Leistungen. Bei einer weitaus steileren optischen Impulsflanke gegenüber bekannten Signalformen um den Faktor 100 bis 200 sowie Leistungssteigerungen um den Faktor 30 bis 40 ist es daher offensichtlich, daß die Anwendung der ultra-kurzen Impulse zur Laufzeitmessung eine erhebliche Verbesserung der Meßgenauigkeit der Entfernungsmessung bedeutet.The novel modulation of the dynamic maximum injection of typical SH laser diodes on which the invention is based means that these emit a multiple of their optical nominal power. The nominal power of an LD-60 is 2.3 watts. As shown in FIG. 5, the laser diode emits about 90 watts in the new operating state, ie an optical pulse power that is 39 times higher. Two goals are thus achieved at the same time: the bandwidth of the ultra-short optical signals according to the invention is far larger than the known type. With a far steeper optical pulse edge compared to known waveforms by a factor of 100 to 200 and power increases by a factor of 30 to 40, it is therefore obvious that the use of the ultra-short pulses for transit time measurement means a significant improvement in the measurement accuracy of the distance measurement.

Die ultra-kurzen Sendeimpulse hoher optischer Impulsleistung können mit einer hohen Impulsfolgefrequenz abgestrahlt werden, ohne die international anerkannten Lasergrenzwerte für die Augensicherheit zu überschreiten. So läßt sich die Impulsfolgefrequenz in Bezug auf Meßgeräte bekannter Art bei einer 1D-Vermessung um den Faktor 10 bis 20 steigern. Damit kann auch unter dem Gesichtspunkt der Augensicherheit die Meßzeit erheblich verkürzt werden.The ultra-short transmit pulses of high optical pulse power can with a high Pulse repetition frequency can be emitted without the internationally recognized laser limit values for exceeding eye safety. So the pulse repetition frequency can be related to Increase measuring devices of a known type in a 1D measurement by a factor of 10 to 20. In order to can significantly shorten the measurement time from the point of view of eye safety will.

Pumpstromkreise für Laserdioden werden üblicherweise mit gehäusten Bauelementen in konventioneller Aufbau- und Verbindungstechnik nach Art der sogenannten "gedruckten Schaltungen" aufgebaut. Eine solche konventionelle Technik begrenzt die Packungsdichte des Pumpstromkreises und führt in Bezug auf einen planaren hybriden Aufbau mit ungehäusten Chipbauelementen zu einer elektrisch längeren Leitungsführung. Die damit einhergehenden parasitären elektrischen Effekte bewirken eine Verlangsamung der in dem Pumpstromkreis stattfindenden elektrischen Schaltvorgänge und damit zu einer verzögerten Entladung des Ladungsspeichers. Dies führt dann bei den erforderlichen Nennpumpströmen zwangsläufig zu längeren Stromimpulsen und damit breiteren Laserimpulsen. Übliche Laserimpulsbreiten liegen in der Größenordnung von 5 bis 10 ns. Die Augensicherheit eines Laser-Entfernungs­ messers setzt voraus, daß die mittlere abgestrahlte optische Leistung einen definierten Grenzwert nicht überschreitet. Dies ist der Grund, weshalb bekannte Meßsysteme eine relativ niedrige Impulswiederholrate von einigen Kilohertz aufweisen.Pump circuits for laser diodes are usually built with components in conventional assembly and connection technology of the so-called "printed" type Circuits ". Such a conventional technique limits the packing density of the Pump circuit and leads in relation to a planar hybrid structure with unhoused Chip components for an electrically longer cable routing. The accompanying Parasitic electrical effects slow down the in the pump circuit occurring electrical switching processes and thus to a delayed discharge of the Charge storage. This inevitably leads to the required nominal pump currents to longer current pulses and thus wider laser pulses. Usual laser pulse widths are in the order of 5 to 10 ns. The eye safety of a laser removal messers requires that the average emitted optical power has a defined one Limit does not exceed. This is the reason why known measuring systems are relatively have a low pulse repetition rate of a few kilohertz.

Fig. 6 zeigt eine praktische Ausführung des Pumpstromgenerators 1 des erfindungsgemäßen Entfernungsmeßgeräts mit Entladekreis nach Anspruch 38. Er ist ein Avalanche-Impulsgene­ rator; beispielhafte Ausführungen finden sich in den unter Ref. 2 angegebenen Patentschriften. Die dort verwendeten Ladeleitungen als Ladungsspeicher sind dann vorteilhaft, wenn Stromimpulse mit einem Impulsdach definierter Amplitude erzeugt werden sollen. Nachteilig ist jedoch, daß der vom Avalanche-Transistor zur Verfügung gestellte Spannungshub dann nur noch halb so groß ist wie im Falle eines Ladekondensators. Die erfindungsgemaße dynamische Höchstinjektion von Ladungsträgern in den Halbleiterlaser erfordert eine besondere Aufbau- und Verbindungstechnologie, die parasitäre induktive Einflüsse jeglicher Art im Entladekreis möglichst vermeidet. Die Schaltungsrealisierung erfolgt daher in einer vorzugsweisen Ausführung in Hybridtechnik. Für den erfindungsgemaßen indexgeführten Q-Switching Effekt ist wesentlich, daß im Gegensatz zu Ref. 2 auch gemäß Anspruch 35 die Laserdiode in Chipform in den Pumpstromkreis integriert wird, da das Laserdiodengehäuse aufgrund der parasitären Gehäusereaktanzen die dynamische Stromimpulsvorderflanke verlangsamt und den Q-Switching Mode unterbinden kann. Weiterhin setzt die Superspike-Emission nach Anspruch 36 eine Einzeldiode voraus; ein Laserdiodenstack würde zu einer gestuften optischen Vorderflanke führen, die eine eindeutige präzise Zeitpunktbestimmung nicht mehr möglich macht. Der Diodenlaserchip ist auf eine Wärmesenke (Open Heatsink) gebondet, die vorzugsweise auf positivem Potential gegenüber Masse liegt, so daß sie vom metallischen Grundkörper des Substratträgers des Entladekreises elektrisch isoliert ist. Wegen der Temperaturstabilisierung der Laserdiode ist die Wärmesenke ebenso auch wärmetechnisch zu isolieren, um die Wärmeverluste möglichst gering zu halten. Nach Anspruch 37 sind auch Halbleiterquellen in Form von Laserdiodenarrays geeignet, die aufgrund ihrer starken optischen Kopplung einheitliche ultra- kurze optische Impulse erzeugen. Über die Versorgungsspannung am Kontakt 57 und den Kollektorwiderstand 56 wird der Chipkondensator 52 aufgeladen. Gegenüber einer Ladeleitung ermöglicht ein Ladekondensator eine erhebliche Flächenreduzierung des Pump­ stromkreises. Die Realisierung des Kollektorwiderstands über mehrere in Serie geschaltete Chipwiderstände hat den Vorteil, daß sich die mittlere Verlustleistung auf mehrere Widerstände verteilt. Damit können die einzelnen Chips für entsprechend geringere Leistungswerte ausgelegt werden, was sich wiederum günstig auf die Bauform auswirkt. Das Ausgangssignal des nicht näher beschriebenen 40 kHz-Oszillators, der als Triggergenerator für den Pumpstromkreis fungiert, gelangt über ein Eingangsnetzwerk aus dem Widerstand 59 und dem Kondensator 60 an die Basis des Avalanche-Transistors 64. Als reflexionsfreier Abschluß des Triggersignals dient der Widerstand 61, der hochfrequenzmäßig über einen Kondensator 62 auf Masse gelegt ist. Die Vorspannung am Kontakt 63 dient zur Einstellung der Basisvorspannung. In einer bevorzugten Ausführung ist der Widerstand 61, der aufgrund seinen niederohmigen Wertes nicht zu einer Selbsttriggerung des Transistors führt, unmittelbar auf Masse gelegt. Bei Triggerung des Transistors erfolgt eine Entladung des Kondensators 52 auf elektrisch kürzestem Wege über die Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors 53 und den Laserchip 49 zur Masse 47. Von besonderer Bedeutung ist, daß der Entladekreis in der Weise angeordnet ist, daß seine minimale elektrische Länge nur durch die Bauform der Bauelemente-Chips sowie durch die zur Drahtbondung von Transistor und Laserdiode benötigten Leitungslängen begrenzt wird. Fig. 6 shows a practical embodiment of the pumping current generator 1 of the distance measuring device according to the invention with discharge circuit according to claim 38. It is an avalanche pulse generator; exemplary versions can be found in the patent specifications specified under Ref. 2 . The charge lines used there as charge stores are advantageous if current pulses with a pulse roof of defined amplitude are to be generated. However, it is disadvantageous that the voltage swing provided by the avalanche transistor is then only half as large as in the case of a charging capacitor. The dynamic maximum injection of charge carriers into the semiconductor laser according to the invention requires a special construction and connection technology that avoids parasitic inductive influences of any kind in the discharge circuit as far as possible. The circuit is therefore implemented in a preferred embodiment using hybrid technology. For the index-guided Q-switching effect according to the invention, it is essential that, in contrast to Ref. 2 , the laser diode in chip form is also integrated into the pump circuit, since the laser diode housing slows down the dynamic current pulse leading edge due to the parasitic housing reactances and prevents the Q-switching mode can. Furthermore, the superspike emission requires a single diode; a laser diode stack would lead to a stepped optical front edge that would no longer make it possible to determine the precise precise time. The diode laser chip is bonded to a heat sink (open heatsink), which is preferably at a positive potential with respect to ground, so that it is electrically insulated from the metallic base body of the substrate carrier of the discharge circuit. Due to the temperature stabilization of the laser diode, the heat sink must also be thermally insulated in order to keep heat losses as low as possible. According to claim 37, semiconductor sources in the form of laser diode arrays are also suitable which, because of their strong optical coupling, generate uniform, ultra-short optical pulses. The chip capacitor 52 is charged via the supply voltage at the contact 57 and the collector resistor 56 . Compared to a charging line, a charging capacitor enables a considerable reduction in the area of the pump circuit. The realization of the collector resistor by means of several chip resistors connected in series has the advantage that the average power loss is distributed over several resistors. The individual chips can thus be designed for correspondingly lower power values, which in turn has a favorable effect on the design. The output signal of the 40 kHz oscillator (not described in more detail), which functions as a trigger generator for the pump circuit, reaches the base of the avalanche transistor 64 via an input network comprising the resistor 59 and the capacitor 60 . Resistor 61 serves as reflection-free termination of the trigger signal and is connected to ground in terms of radio frequency via a capacitor 62 . The bias on contact 63 is used to adjust the base bias. In a preferred embodiment, the resistor 61 , which due to its low-resistance value does not lead to self-triggering of the transistor, is connected directly to ground. When the transistor is triggered, the capacitor 52 is discharged in the shortest possible electrical manner via the collector-emitter path of the transistor 53 and the laser chip 49 to the ground 47 . It is of particular importance that the discharge circuit is arranged in such a way that its minimum electrical length is limited only by the design of the component chips and by the line lengths required for wire bonding of the transistor and laser diode.

Nach Anspruch 39 werden in einer weiteren Ausbildung der Erfindung Laserdiode 49, Transistor 53 und Ladungsspeicher 52 auf einer gemeinsamen Wärmesenke 48 konzentriert angeordnet. Dies hat einerseits den Vorteil einer Reduzierung der elektrischen Verbindungen des Entladekreises, andererseits ist nach Anspruch 65 eine vereinfachte gemeinsame Temperaturkontrolle von Laserdiode und Avalanche-Transistor möglich.According to claim 39, in a further embodiment of the invention, laser diode 49 , transistor 53 and charge store 52 are arranged concentrated on a common heat sink 48 . On the one hand, this has the advantage of reducing the electrical connections of the discharge circuit, on the other hand, a simplified joint temperature control of the laser diode and avalanche transistor is possible.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform des Entladekreises mit Laserdiode ist nach Anspruch 40 in Fig. 7A dargestellt. Bei einer solchen optimalen Packungsdichte sind Laserdiode 49, Ladekondensator 52 und Avalanche-Transistor 53 vorzugsweise in einer Reihe in jeweils geringem Abstand voneinander angeordnet, so daß auf denkbar kürzestem Wege eine Entladung des Kondensators über den Transistor und die Laserdiode erfolgen kann. Die elektrisch leitende Bondfläche 65 ist über ein nicht weiter gekennzeichnetes dünnes Substrat von der Wärmesenke 48 elektrisch isoliert. Isolierendes Substrat und leitende Bondfläche lassen sich auch über Sputtertechniken einfach herstellen.Another embodiment of the discharge circuit with a laser diode according to the invention is shown in FIG. 7A according to claim 40. With such an optimal packing density, laser diode 49 , charging capacitor 52 and avalanche transistor 53 are preferably arranged in a row at a short distance from one another, so that the capacitor can be discharged via the transistor and the laser diode in the shortest possible way. The electrically conductive bonding surface 65 is electrically insulated from the heat sink 48 via a thin substrate, which is not further identified. The insulating substrate and conductive bonding surface can also be easily produced using sputtering techniques.

Fig. 7B zeigt eine entsprechende erfindungsgemäße Ausführung nach Anspruch 41, falls die Kathode des Diodenlaserchips auf dem Wärmesenkepotential liegt. In diesem Fall sind die Bauelemente in der Reihenfolge Laserchip-Transistor-Kondensator angeordnet. Von besonde­ rem Vorteil zeigt sich, daß die Wärmesenke nun auf Massepotential liegt, so daß ein Masse­ kontakt zu anderen Schaltungsteilen des Entfernungsmeßgeräts auf einfache Weise hergestellt werden kann. Die vollständige Integration von Laserdiode und Entladekreis ist für die dynamische Höchstinjektion aufgrund weiterer Reduzierung der parasitären Schaltkreiseffekte von großem Nutzen, zum anderen führt sie zu einer Miniaturisierung des Lasertransmitters. FIG. 7B shows a corresponding embodiment according to the invention of claim 41, if the cathode of the diode laser chip is located on the heat sink potential. In this case, the components are arranged in the order of the laser chip transistor capacitor. Of particular rem advantage shows that the heat sink is now at ground potential, so that a ground contact to other circuit parts of the distance measuring device can be produced in a simple manner. The complete integration of the laser diode and the discharge circuit is of great benefit for the dynamic maximum injection due to the further reduction of the parasitic circuit effects, on the other hand it leads to a miniaturization of the laser transmitter.

Fig. 7C zeigt eine weitere erfindungsgemäße beispielhafte mikrosystemtechnische Realisierung der Sendeeinheit in quasi-monolithischer Aufbau- und Verbinungstechnologie (AVT), wie sie beispielsweise in A. Fathy et al., "Miniature Gain Block Satellite Communication Transceivers", MTT-S ′87, 565-567, beschrieben ist. Erfindungsgemäß besteht der Grundkörper 99 hier aus Siliziummaterial, da sich dieses mikromechanisch mittels Trockenätztechniken gut bearbeiten läßt. Es können beispielsweise unterschiedliche Vertiefungen in ein Si-Substrat generiert werden. Durch leichtes Aufbringen einer ca. 2 µm dicken SiO₂ Schicht (Quartz) 101 wird zudem eine gute elektrische Isolation gewährleistet. Elektrisch leitende Kontaktflächen 48 und 65 werden mittels Sputtertechniken hergestellt. Nach Einfügen der entsprechenden Bauelement-Chips wie Laserdiode 66 und Transistor 53 können diese mit Polyamid verklebt werden. Das fotoempfindliche Polyamid läßt sich leicht strukturieren, und stellt somit ein geeignetes Maskenmaterial für die anschließend durchzuführende elektrische Kontaktierung 98 dar. Fig. 7C shows another exemplary microsystem technical realization of the invention the transmitting unit in quasi-monolithic structure and Verbinungstechnologie (AVT) as, for example, in A. Fathy et al., "Miniature Gain block Satellite Communication Transceivers", MTT-S '87 565-567. According to the invention, the base body 99 consists here of silicon material, since this can be processed well micromechanically by means of dry etching techniques. For example, different depressions can be generated in a Si substrate. Good electrical insulation is also ensured by lightly applying an approximately 2 μm thick SiO₂ layer (quartz) 101 . Electrically conductive contact surfaces 48 and 65 are produced using sputtering techniques. After inserting the appropriate component chips such as laser diode 66 and transistor 53 , these can be glued with polyamide. The photosensitive polyamide can be structured easily, and thus represents a suitable mask material for the electrical contact 98 to be subsequently carried out.

Nach Anspruch 43 wird erfindungsgemäß das optische Referenzsignal über die rückwärtige Laseremission eines Halbleiterlaserchips gewonnen. Das optische Referenzsignal kann nach Anspruch 44 über eine optische Faser zugeführt werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante wird nach Anspruch 45 das optische Referenzsignal unmittelbar dem photoelektrischen Wandler zugeführt. Fig. 8A verdeutlicht eine solche Ausführungsform einer integrierten Sende- und Empfangseinheit des erfindungsgemäßen Entfernungsmeßgeräts. Eine Besonderheit der gegebenen Anordnung ist dadurch gegeben, daß der Diodenlaserchip 66 und der Chip 102 der Photodiode in unmittelbarer Nähe so angeordnet sind, daß die an der rückseitigen Apertur des Lasers austretende parasitäre Strahlung unmittelbar als Referenz für die Impulslaufzeit des Sendeimpulses 77 dient. Damit entfällt der in Fig. 1 ausgewiesene optische Koppler 15 sowie die Referenzfaser zur optischen Verbindung der separaten Baueinheiten von Lasertransmitter und Photodetektor. In der erfindungsgemäßen Anordnung sind diese nach Anspruch 46 bzw. 66 in einer Baueinheit mikrosystemtechnisch miteinander integriert.According to claim 43, the optical reference signal according to the invention is obtained via the rear laser emission of a semiconductor laser chip. The optical reference signal can be supplied according to claim 44 via an optical fiber. In a particularly advantageous embodiment variant, the optical reference signal is fed directly to the photoelectric converter. Fig. 8A illustrates such an embodiment of an integrated transmitting and receiving unit of the distance measuring the invention. A special feature of the given arrangement is given in that the diode laser chip 66 and the chip 102 of the photodiode are arranged in the immediate vicinity in such a way that the parasitic radiation emerging at the rear aperture of the laser serves directly as a reference for the pulse transit time of the transmission pulse 77 . The optical coupler 15 shown in FIG. 1 and the reference fiber for the optical connection of the separate structural units of the laser transmitter and photodetector are thus omitted. In the arrangement according to the invention, these are integrated with each other in terms of microsystem technology in a structural unit.

Während in Fig. 8A die Referenzstrahlung über einen Streukörper 103 nach Anspruch 47 bzw. 48 auf die gemeinsame strahlungsempfindliche Fläche der Diode 102 gestreut wird, erfolgt die Einkopplung in Fig. 8B nach Anspruch 49 in lateraler Richtung. Die Leistung der rückwärtigen Laserstrahlung sowie die benachbarte Lage der Photodiode führen trotz geringerer lateraler Photoempfindlichkeit zu einem elektrischen Referenzsignal hinreichender Amplitude.While in Fig., The reference radiation through a diffuser 103 according to claim 47 or 48 is spread on the common radiation-sensitive area of the diode 102 8A, the coupling is carried out in Fig. 8B according to claim 49 in the lateral direction. The power of the rear laser radiation and the adjacent position of the photodiode lead to an electrical reference signal of sufficient amplitude despite the lower lateral photosensitivity.

Der Empfang ultra-kurzer Laserimpulse erfordert entsprechend breitbandige Empfängerschalt­ kreise. Fig. 9A zeigt eine mögliche Ausführungsform nach Anspruch 26 und Fig. 9B ein vorläufiges Ausgangssignal eines am Eingang empfangenen ultra-kurzen optischen Impulses. Der Breitbandverstärker besteht vorzugsweise aus einer Si-PIN-Photodiode 79, einer Tranzimpedanzverstärkerstufe 80 mit einem Rückkopplungswiderstand RF 81, einer weiteren Verstärkerstufe 82 sowie einem Ausgangstreiber 83. Bei dem verwendeten Feldeffekt­ transistorbaustein handelt es sich beispielsweise um den Mikrowellen-HEMT vom Typ JS8902-AS der Firma Toshiba. Aufgrund der Schaltkreis-Frequenzbandbreite von einigen Gigahertz ist die Schaltung in Planartechnologie aufgebaut. Die FET-Bausteine sind in "Chip­ and-wire"-Technik in die planare Schaltung eingebracht. Denkbar ist auch eine Ausführung des Schaltkreises in monolithischer Technologie als MMIC. The reception of ultra-short laser pulses requires corresponding broadband receiver circuits. FIG. 9A shows a possible embodiment according to claim 26 and FIG. 9B shows a preliminary output signal of an ultra-short optical pulse received at the input. The broadband amplifier preferably consists of a Si-PIN photodiode 79 , a trance impedance amplifier stage 80 with a feedback resistor R F 81, a further amplifier stage 82 and an output driver 83 . The field effect transistor module used is, for example, the microwave HEMT of type JS8902-AS from Toshiba. Due to the circuit frequency bandwidth of a few gigahertz, the circuit is constructed in planar technology. The FET components are integrated into the planar circuit using "chip and wire" technology. An embodiment of the circuit in monolithic technology as MMIC is also conceivable.

In einer weiteren Ausführungsform wird aufgrund der höheren Empfindlichkeit im erfindungsgemaßen Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 25 bzw. 50 eine schnelle Avalanche-Photodiode gemäß Anspruch 53 mit Anstiegszeiten in der Größenordnung von 100 ps verwendet. Obgleich sie damit nicht an die gegebene Bandbreite der ultra-kurzen optischen Impulse angepaßt sind, ermöglicht die Ausführung nach Anspruch 17 die Lösung der gestellten Meßaufgabe einer sehr präzisen dreidimensionalen Vermessung von Flächenelementen mit einer radialen Auflösung im Submillimeterbereich.In a further embodiment, due to the higher sensitivity in the 50 according to the invention a fast An avalanche photodiode according to claim 53 with rise times of the order of magnitude 100 ps used. Although they do not match the given range of ultra-short Optical pulses are adapted, the embodiment according to claim 17 enables the solution the measurement task of a very precise three-dimensional measurement of Area elements with a radial resolution in the submillimeter range.

Die Messung an glühenden Oberflächen stellt ein besonderes meßtechnisches Problem dar. Aufgrund der vorherrschenden Hintergrundstrahlung hat diese in der Photodiode einen zusätzlichen DC-Stromanteil zur Folge, der, ausgehend von dem Ersatzschalbild eines Avalanche-Photodetektors bekannter Art in Fig. 10A, am Vorwiderstand R1 73 einen zusätzlichen Spannungsabfall hervorruft, wodurch sich der eingestellte Arbeitspunkt der Diode 72 verschiebt und der Multiplikationsfaktor M verändert. Dadurch ändert sich die Signalamplitude sowie aufgrund des nichtlinearen Charakters der Photodiode auch die Signalform. Eine Verkleinerung des Widerstands R1 kann den Einfluß der Hintergrund­ strahlung verringern, aber nicht vollständig beseitigen. Zudem dient R1 als Vorwiderstand zur Strombegrenzung und kann daher nicht beliebig klein gewählt werden. Fig. 10B zeigt gemäß Anspruch 54 eine erfindungsgemäße erweiterte Photodetektorschaltung, die durch geeignete Nachführung der Detektorvorspannung Uv 71 den Hintergrundstrahlungseffekt auf die Photodiodenspannung UAPD kompensiert. Dies geschieht über eine Reglereinheit 70, der über einen Meßwiderstand R2 74 den Momentanwert des Arbeitsstroms IDC der Photodiode registriert. Abweichungen vom Sollwert werden durch entsprechende Änderungen der Detektorvorspannung Uv ausgeregelt. Für die Kennlinie des Reglers besteht offensichtlich der funktionelle Zusammenhang zwischen der Kontrollspannung UR2 und der Detektorvor­ spannung Uv: Uv =UAPD + ((R1 +R2)/R1)UR2 mit R1 « R2. Soll zusätzlich der innere Serienwiderstand Rs der Photodiode berücksichtigt werden, so ist R2 um diesen Widerstandswert zu erhöhen. Mit Rs « R2 kann der Serienwiderstand allgemein vernachlässigt werden. Bei einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Entfernungsmeßgeräts ist die Zeitkonstante deutlich schneller als die Repetierfrequenz von 40 kHz und wesentlich langsamer als die Zeitdauer eines optischen Impulses.Measurement on glowing surfaces represents a particular measurement problem. Because of the predominant background radiation, this results in an additional DC current component in the photodiode, which, based on the equivalent circuit diagram of an avalanche photodetector of the known type in FIG. 10A, on the series resistor R1 73 causes an additional voltage drop, as a result of which the set operating point of the diode 72 shifts and the multiplication factor M changes. This changes the signal amplitude and, due to the non-linear character of the photodiode, also the signal shape. A reduction in the resistance R1 can reduce the influence of the background radiation, but cannot completely eliminate it. In addition, R1 serves as a series resistor for current limitation and can therefore not be chosen to be as small as desired. FIG. 10B shows in accordance with claim 54 an extended photodetector circuit of the invention, the v by appropriate correction of the detector bias U 71 compensates for the background radiation effect on the photodiode voltage U APD. This is done via a controller unit 70 , which registers the instantaneous value of the working current I DC of the photodiode via a measuring resistor R2 74 . Deviations from the target value are corrected by corresponding changes in the detector bias voltage U v . For the characteristic of the controller, there is obviously the functional relationship between the control voltage U R2 and the detector bias voltage U v : U v = U APD + ((R1 + R2) / R1) U R2 with R1 «R2. If the internal series resistance Rs of the photodiode is also to be taken into account, R2 must be increased by this resistance value. The series resistance can generally be neglected with Rs «R2. In a preferred embodiment of the distance measuring device according to the invention, the time constant is significantly faster than the repetition frequency of 40 kHz and much slower than the time duration of an optical pulse.

Ein gravierender Vorteil dieser erfindungsgemäßen Detektorschaltung liegt darin, daß auf Interferenzfilter zur Abblockung der Hintergrundstrahlung verzichtet werden kann. Dies wiederum ist Voraussetzung bei optischen Impulsen, deren optische Bandbreite nicht sehr klein ist, wie dies beispielsweise bei gechirpten Impulsen der Fall ist.A serious advantage of this detector circuit according to the invention is that Interference filter to block the background radiation can be dispensed with. This in turn is a prerequisite for optical pulses whose optical bandwidth is not very is small, as is the case with chirped pulses, for example.

Die Impulsabstandsmessung von Referenz- und Empfangssignal (Doppelimpuls) ist aufgrund der ultra-kurzen Impulsflanken mit den bekannten integrierten Schaltkreisen nicht mehr durchführbar. ECL-Gattern haben typische Anstiegszeiten von 200 ps und sind damit zur Auswertung der ultra-kurzen Impulse nicht geeignet. Eine erfindungsgemäße vereinfacht dargestellte Ausführungsform zur Abstandsmessung zeigt Fig. 11A. Sie zeichnet sich durch einen sehr geringen technischen Aufwand bei relativ hoher Meßgenauigkeit aus. Der vom Photodetektor 9 empfangene und über die Verstärkerkette (80, 82, 83) verstärkte Doppelimpuls, bestehend aus dem Referenz- und Meßsignal, wird über einen angepaßten Signalteiler 84 zum einen auf den positiven Eingang eines ultra-schnellen Komparators in vorzugsweise GaAs-Technologie 85 gegeben, zum anderen gelangt ein Teil zeitverzögert auf den negativen Eingang, der über eine Referenzspannung so vorgespannt ist, daß Rauscheffekte am Eingang des Komparators unterdrückt werden. Der Komparator enthält im wesentlichen nach Anspruch 27 einen ultra-schnellen Differenzverstärker, wie er prinzipiell aus S. Feng et al., "A 4 Gs/s and 10 mV latched comparator in 0.5 µm GaAs HEMT technology", ESSDRC (1991) (Ref. 3), bekannt ist. Die Schaltkreisausführung in 0.5 µm FET-Technologie erlaubt die Verarbeitung von Signalfrequenzen bis etwa 4 GHz. Da die obere Frequenzgrenze im wesentlichen von der Eingangskapazität der verwendeten FETs abhängig ist, sieht die erfindungsgemäße Ausführung des Komparators nach Anspruch 28 Mikrowellen-FETs mit Gatelängen von typisch 0. 15 bis 0.25 µm vor, so daß diese gegenüber Ref. 3 um den Faktor 2 bis 3 schneller sind. Damit ist es möglich, die ultrakurzen Impulse einwandfrei zu triggern. Die Zeitverzögerung td1 bestimmt die Breite der am Ausgang des Komparators auftretenden Rechteckimpulse.Due to the ultra-short pulse edges, the pulse distance measurement of reference and received signal (double pulse) can no longer be carried out with the known integrated circuits. ECL gates have typical rise times of 200 ps and are therefore not suitable for evaluating the ultra-short pulses. An embodiment of the distance measurement according to the invention, shown in simplified form, is shown in FIG. 11A. It is characterized by a very low technical effort with a relatively high measuring accuracy. The double pulse received by the photodetector 9 and amplified via the amplifier chain ( 80 , 82 , 83 ), consisting of the reference and measurement signal, is applied via a matched signal divider 84 to the positive input of an ultra-fast comparator, preferably using GaAs technology 85 given, on the other hand, a part is delayed on the negative input, which is biased via a reference voltage so that noise effects at the input of the comparator are suppressed. The comparator essentially contains an ultra-fast differential amplifier as described in principle in S. Feng et al., "A 4 Gs / s and 10 mV latched comparator in 0.5 µm GaAs HEMT technology", ESSDRC (1991) (Ref 3) is known. The circuit design in 0.5 µm FET technology allows the processing of signal frequencies up to about 4 GHz. Since the upper frequency limit is essentially dependent on the input capacitance of the FETs used, the embodiment of the comparator according to the invention provides microwave FETs with gate lengths of typically 0.15 to 0.25 µm, so that they are 2 times larger than Ref. 3 until 3 are faster. This makes it possible to trigger the ultra-short impulses properly. The time delay t d1 determines the width of the rectangular pulses occurring at the output of the comparator.

Nach Anspruch 29 erfolgt die Zeitabstandsmessung der am Ausgang des Komparators 85 auftretenden Impulse in der Weise, daß der geformte Doppelimpuls über einen Signalteiler 86 zum einen zeitverzögert auf den START-Eingang und zum anderen unverzögert auf den STOP-Eingang eines hochgenauen Zeitdifferenzmessers 87 vom Typ TDC 10000 der Firma MSC gelangt. Die Zeitabstandsmessung setzt ein, sobald ein Startsignal vorliegt. Da die Zeitverzögerung td2 in der Größenordnung der Impulsdauer eines ultra-kurzen Impulses liegt, gelangt zunächst ein Referenzimpuls an den STOP-Eingang und wird ignoriert. Zeitverzögert trifft der Referenzimpuls auch am START-Eingang ein und setzt den Zeitmeßvorgang in Gang. Das Eintreffen des Meßsignals am STOP-Eingang beendet die Zeitauswertung. Die Einzelschuß-Entfernungsmeßauflösung des integrierten Bausteins in CMOS-Technik beträgt 50 ps, was einer Entfernungsauflösung von 7.5 mm entspricht.According to claim 29, the time interval measurement of the pulses occurring at the output of the comparator 85 takes place in such a way that the shaped double pulse via a signal divider 86 is delayed on the one hand to the START input and, on the other hand, without delay to the STOP input of a highly accurate time difference meter 87 of the TDC type 10000 from the company MSC. The time interval measurement starts as soon as a start signal is present. Since the time delay t d2 is of the order of magnitude of the pulse duration of an ultra-short pulse, a reference pulse first arrives at the STOP input and is ignored. The reference pulse also arrives at the START input with a time delay and starts the time measurement process. The time evaluation ends when the measurement signal arrives at the STOP input. The single-shot range measurement resolution of the integrated module in CMOS technology is 50 ps, which corresponds to a range resolution of 7.5 mm.

Fig. 11B zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsvariante mit hoher Zeitauflösung nach den Ansprüchen 30 und 31. Das Ausgangssignal eines Mikrowellenoszillators 88 mit der Frequenz f₁ gelangt über einen Teiler 89 auf den Mischer 90, der mit der Frequenz f₂ eines Lokaloszillators 91 am Ausgang eine Zwischenfrequenz |f₁-f₂| bereitstellt. Anschließend wird das Signal nach Passieren eines Filters 92 mittels eines Verstärkers 93 verstärkt. Das Ausgangssignal entspricht dann dem Signal des Oszillators 37 in Fig. 1. Das Signal des Mikrowellenoszillators gelangt weiterhin auf eine nicht näher beschriebene Zählereinheit 94. Da die Sendesignalfrequenz mit dem Oszillatorsignal synchronisiert ist, entspricht der maximale Fehler bei der Zeitauswertung des Torimpulses dem Zeitabstand zweier Zählimpulse. Fig. 11B shows a circuit variant according to the invention with high time resolution according to claims 30 and 31. The output signal of a microwave oscillator 88 with the frequency f₁ passes through a divider 89 to the mixer 90 , which has an intermediate frequency | f₁ with the frequency f₂ of a local oscillator 91 at the output -f₂ | provides. After passing a filter 92 , the signal is then amplified by means of an amplifier 93 . The output signal then corresponds to the signal of the oscillator 37 in FIG. 1. The signal of the microwave oscillator continues to reach a counter unit 94, which is not described in detail. Since the transmission signal frequency is synchronized with the oscillator signal, the maximum error in the time evaluation of the gate pulse corresponds to the time interval between two counting pulses.

Fig. 12 zeigt das Blockschema eines bekannten optischen Entfernungsmeßgeräts nach Ref. 2, das nach dem Sampling-Prinzip arbeitet. Ein von einem Oszillator 37 kontrollierter Pumpstromgenerator 1 mit einer Pulsrepetierfrequenz (PRF) von 10.48 kHz steuert einen Lasersender 2 an, der aus mehreren elektrisch in Serie geschalteten und aufeinandergestapel­ ten Halbleiterchips (Laserdiodenstack) besteht. Wegen der durch Reflexion an Meßebenen mit geringem Reflexionsgrad auftretenden größeren Leistungsverluste werden Einfachhetero­ strukturlaser bevorzugt eingesetzt. Der größte Teil 4 der emittierten Laserstrahlung 75 wird über eine Sendeoptik 3 auf das Ziel 5 abgestrahlt, dort reflektiert und als optisches Meßsignal 6 über eine Empfangsoptik 7 dem Meßkanal 8 zugeführt. Eine Photodiode 9 wandelt das optische Meßsignal 75 in ein elektrisches Meßsignal 10 um. Dieses wird über einen Verstärker 11 verstärkt und einer Meßkanal-Samplingstufe 12 zugeführt. Im Falle einer Avalanche-Photodiode mit einer inneren Verstärkung bilden der photoelektrische Wandler 9 und der Verstärker 11 eine Baueinheit 23. Ein optisches Interferenzfilter 13 sorgt für ein Abblocken der Hintergrundstrahlung. Die Entfernung des Meßgeräts zum Meßobjekt, die offensichtlich der doppelten Laufzeit des Sendeimpulses vom Meßgerät zum Meßobjekt entspricht, erfordert eine Zeitreferenz, die den Zeitpunkt der Sendeimpulsaussendung festlegt. Ein solcher optischer Referenz- oder Startimpuls 14 wird dadurch gewonnen, daß, wie aus Fig. 1 ersichtlich, über einen optischen Koppler 15 ein geringer Teil der optischen Sendeleistung 77 über eine optische Referenzfaser 16 auf einen weiteren Photoempfänger 17, der als Referenzempfänger dient, geleitet wird. Im weiteren entsprechen die kaskadierten Funktionsblöcke des Referenzkanals 45 denen des Meßkanals. Die Baueinheit 23, die eine Avalanche-Photodiode mit innerer Verstärkung aufweist, kann im Falle des Referenz­ empfängers aufgrund der ausreichend vorhandenen optischen Referenzleistung meist durch eine Photodiode ohne innere Verstärkung ersetzt werden, so daß der Verstärkerblock 18 in der Baueinheit 24 entfällt. Die Zeitabstandsmessung erfolgt an den gesampelten Referenz 20 und Meßimpulsen 21 in einer Zeitmeßeinrichtung 22. Ein besonderes Problem ergibt sich bei dem bekannten Systemkonzept, daß die Abtastung der Referenzimpulse und Meßimpulse mittels separater Samplingstufen 12 und 19 erfolgt. Die Erfahrung zeigt, daß ein Temperaturgleichlauf der Samplingstufen in einem größeren Temperaturbereich kaum möglich ist. Eine Temperaturstabilisierung der kompletten Stufen ist durchaus denkbar, jedoch wegen des erheblichen technischen Aufwandes kaum vertretbar. Es ist daher nach Anspruch 50 vorteilhaft, das in Fig. 12 über einen optischen Koppler gewonnene Referenzsignal in den Meßkanal vorzugsweise zwischen Interferenzfilter 13 und Photodiode 9 einzukoppeln. Dies kann in weiteren Ausführungsformen auch vor der Empfangsoptik 7 oder vor dem Interferenzfilter sein. FIG. 12 shows the block diagram of a known optical distance measuring device according to Ref. 2 , which works according to the sampling principle. A pump current generator 1 controlled by an oscillator 37 with a pulse repetition frequency (PRF) of 10.48 kHz controls a laser transmitter 2 , which consists of a plurality of electrically connected and stacked semiconductor chips (laser diode stack). Because of the greater power losses due to reflection at measurement planes with a low degree of reflection, single hetero structure lasers are preferred. The major part 4 of the emitted laser radiation 75 is emitted onto the target 5 via an optical transmission system 3 , reflected there and fed to the measuring channel 8 as an optical measurement signal 6 via an optical reception system 7 . A photodiode 9 converts the optical measurement signal 75 into an electrical measurement signal 10 . This is amplified via an amplifier 11 and fed to a measuring channel sampling stage 12 . In the case of an avalanche photodiode with an internal amplification, the photoelectric converter 9 and the amplifier 11 form a structural unit 23 . An optical interference filter 13 ensures that the background radiation is blocked. The distance of the measuring device to the measurement object, which obviously corresponds to twice the transit time of the transmission pulse from the measurement device to the measurement object, requires a time reference which defines the time of the transmission pulse transmission. Such an optical reference or start pulse 14 is obtained in that, as can be seen in FIG. 1, a small part of the optical transmission power 77 is passed via an optical coupler 15 via an optical reference fiber 16 to a further photo receiver 17 , which serves as a reference receiver becomes. Furthermore, the cascaded function blocks of the reference channel 45 correspond to those of the measuring channel. The unit 23 , which has an avalanche photodiode with internal amplification, can usually be replaced by a photodiode without internal amplification in the case of the reference receiver due to the sufficiently available optical reference power, so that the amplifier block 18 in the unit 24 is omitted. The time interval measurement is carried out on the sampled reference 20 and measuring pulses 21 in a time measuring device 22 . A particular problem arises with the known system concept that the sampling of the reference pulses and measuring pulses takes place by means of separate sampling stages 12 and 19 . Experience shows that temperature synchronization of the sampling stages is hardly possible over a wide temperature range. A temperature stabilization of the complete stages is quite conceivable, but hardly justifiable due to the considerable technical effort. It is therefore advantageous according to claim 50 to couple the reference signal obtained in FIG. 12 via an optical coupler into the measuring channel, preferably between interference filter 13 and photodiode 9 . In further embodiments, this can also be in front of the receiving optics 7 or in front of the interference filter.

Wie Ref. 2 weiterhin zu entnehmen, liegt die Impulsbreite der optischen Sendesignale oberhalb einer Nanosekunde. Bei der gegebenen optischen Spitzenleistung von einigen Watt und der Pulsrepetierfrequenz von etwa 10 kHz ist die Laserstrahlung des Meßgeräts als augensicher (Klasse-1-Lasersystem) einzustufen. Bei den gegebenen optischen Impulsbreiten und der wegen des Samplingprinzips erforderlichen hohen Wiederholfrequenz konnte die Laserdiode zur Einhaltung der Sicherheitsvorschriften nur mit einer Stromamplitude ausgesteuert werden, bei der sie nur 20 bis 25% ihrer optischen Nennleistung emittierte. Eine weitere Kürzung des optischen Impulses ist wünschenswert, da dies unter Beibehaltung der Augensicherheit zu einer höheren optischen Leistung und zu einer höheren Impulswieder­ holrate führt und der Meßvorgang beschleunigt wird.As can also be seen from ref. 2 , the pulse width of the optical transmission signals is above one nanosecond. Given the given optical peak power of a few watts and the pulse repetition frequency of approximately 10 kHz, the laser radiation from the measuring device can be classified as eye-safe (class 1 laser system). Given the given optical pulse widths and the high repetition frequency required due to the sampling principle, the laser diode could only be driven with a current amplitude at which it emitted only 20 to 25% of its nominal optical power in order to comply with the safety regulations. A further shortening of the optical pulse is desirable, since this leads to a higher optical performance and a higher pulse repetition rate while maintaining eye safety and the measuring process is accelerated.

Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Entfernungsmeßgeräts nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 25 sowie 50. Es entspricht dem Systemkonzept nach Fig. 12, jedoch erfolgt der Empfang der optischen Referenz- und Meßsignale erfindungsgemäß mittels einer einzigen Photodiode und die Abtastung der Referenz- und Meßsignale erfindungsgemäß über eine gemeinsame Samplingstufe, so daß sich eine Temperaturdrift in gleicher Weise auf die elektrischen Referenz- und Meßimpulse auswirkt und damit keinen Einfluß auf die Genauigkeit der Abstandsmessung mehr hat. Eine geeignete Ausführungsform einer hinreichend breitbandigen Samplingstufe ist beispielsweise in W. Thomann et al., "A 40 GHz/9 ps sampling head for wideband applications", Proc. EuMC ′91, 830-835, beschrieben. Eine Sendeoptik 3, die vorzugsweise aus zwei Achromaten besteht, fokussiert den optischen Sendestrahl 4 über einen Umlenkspiegel 35 und Spiegelscanner 36 in der Meßebene 5. Dort wird der Impuls diffus reflektiert. Ein Teil der reflektierten Strahlung wird vorzugsweise über einen XY-Spiegelscanner 36 auf eine weitere Zweilinsenanordnung 7 vorzugsweise aus Achromaten gelenkt und auf einen photoelektrischen Wandler 23, der vorzugsweise eine Avalanche-Photodiode enthält, fokussiert. Zur Generierung des Referenz­ impulses wird direkt über eine optische Faser 16 als Referenzstrecke ein geringer Teil des optischen Sendeimpulses zur Photodiode geleitet. Am Ausgang des Photodetektors 23 stehen zwei elektrische Impulse in Form eines Doppelimpulses zur Verfügung, deren zeitlicher Abstand ein Maß für die zu messende Entfernung zum Objekt ist. Die schnellen elektrischen Impulse am Ausgang der Photodiode werden über ein Bias-Netzwerk 43, das die Vorspannung für die Photodiode bereitstellt, an den Eingang der Samplingstufe 12 geführt. Mittels eines A/D-Wandlers 38 gemäß Anspruch 51 wird das abgetastete analoge Doppelsignal 44 in ein entsprechendes digitalisiertes Signal umgewandelt und anschließend gemäß Anspruch 52 zu einer Mikroprozessoreinheit 39 übertragen, der die Datenauswertung übernimmt, d. h. den Zeitabstand der Doppelimpulse sowie ihre Amplituden bestimmt. Nach Anspruch 14 erfolgt die Zeitbestimmung vorzugsweise mittels der Impulsvorderflanken der abgetasteten Referenz- und Meßsignale. Eine weitere Aufgabe der Mikroprozessoreinheit ist die Steuerung des Spiegelscanners. Aus der ermittelten radialen Entfernungsinformation und der Position der Scannerspiegel kann die Mikroprozessoreinheit eine dreidimensionale Oberflächenkontur des Meßobjekts errechnen, die auf der Anzeigeeinheit 40 graphisch dargestellt wird. Fig. 13 shows an embodiment of the distance measuring according to the invention according to the preamble of claims 1 and 25 and 50. It corresponds to the system concept according to FIG. 12, but the reception of the optical reference and measurement signals is carried out according to the invention by means of a single photodiode and the sampling of the reference and measurement signals according to the invention via a common sampling stage, so that a temperature drift affects the electrical reference and measurement pulses in the same way and thus has no influence on the accuracy of the distance measurement. A suitable embodiment of a sufficiently broadband sampling stage is described, for example, in W. Thomann et al., "A 40 GHz / 9 ps sampling head for wideband applications", Proc. EuMC '91, 830-835. A transmission optics 3 , which preferably consists of two achromats, focuses the optical transmission beam 4 via a deflection mirror 35 and mirror scanner 36 in the measurement plane 5 . There the impulse is reflected diffusely. Part of the reflected radiation is preferably directed via an XY mirror scanner 36 onto a further two-lens arrangement 7, preferably made of achromatic lenses, and focused onto a photoelectric converter 23 , which preferably contains an avalanche photodiode. To generate the reference pulse, a small part of the optical transmission pulse is passed directly to the photodiode via an optical fiber 16 as a reference path. At the output of the photodetector 23 there are two electrical pulses in the form of a double pulse, the time interval between which is a measure of the distance to the object to be measured. The fast electrical pulses at the output of the photodiode are fed to the input of the sampling stage 12 via a bias network 43 , which provides the bias voltage for the photodiode. By means of an A / D converter 38 according to claim 51, the sampled analog double signal 44 is converted into a corresponding digitized signal and then transmitted according to claim 52 to a microprocessor unit 39 , which takes over the data evaluation, ie determines the time interval of the double pulses and their amplitudes. According to claim 14, the time is determined preferably by means of the pulse leading edges of the sampled reference and measurement signals. Another task of the microprocessor unit is to control the mirror scanner. From the determined radial distance information and the position of the scanner mirror, the microprocessor unit can calculate a three-dimensional surface contour of the measurement object, which is displayed graphically on the display unit 40 .

Ein besonderes Problem der Laufzeitmessung ergibt sich aus der Signaldynamik der Meßsig­ nale. Die Erfahrung zeigt, daß der vom Meßgerät angezeigte Entfernungswert im allgemeinen von der Intensität bzw. der Amplitude des Empfangssignals abhängt. Dies gilt für beliebige Signalformen, insbesondere auch für harmonische Signale, die bei dem Phasenvergleichs­ verfahren Verwendung finden. Dies wird beispielhaft anhand von normierten abgetasteten Empfangssignalen einer Avalanche-Photodiode in Fig. 14 deutlich. Mit der Zunahme der Empfangsamplitude verschiebt sich der durch einen 40%-igen Signalpegel definierte Meßzeit­ punkt zu kürzeren Zeitwerten (t₃ < t₂ < t₁). Um derartige signalpegelabhängige Laufzeit­ fehler aufgrund der nichtlinearen Eigenschaften der photoelektrischen Wandler bei Groß­ signalaussteuerung möglichst zu vermeiden, werden nach bekannter Art mit Hilfe von ein­ stellbaren Dämpfungsgliedern wie Graukeilen und Filterrädern die Intensitäten bzw. die Amplituden der Referenz- und Meßsignale einander angeglichen, so daß der photoelektrische Wandler für beide Signale in gleicher Weise ausgesteuert wird. Eine Signalnachführung kostet grundsätzlich Zeit und verzögert den dynamischen Meßablauf. Die technische Realisie­ rung elektrischer oder optischer Regelglieder bedeutet zudem einen zusätzlichen Aufwand.A particular problem of the transit time measurement arises from the signal dynamics of the measurement signals. Experience shows that the distance value displayed by the measuring device generally depends on the intensity or the amplitude of the received signal. This applies to any signal forms, in particular also to harmonic signals, which are used in the phase comparison process. This becomes clear, for example, by means of standardized, sampled received signals from an avalanche photodiode in FIG. 14. With the increase in the reception amplitude, the point in time defined by a 40% signal level shifts to shorter time values (t₃ <t₂ <t₁). In order to avoid such signal level-dependent transit time errors due to the non-linear properties of the photoelectric converter with large signal modulation as far as possible, the intensities or the amplitudes of the reference and measurement signals are adjusted to one another in a known manner with the aid of adjustable attenuators such as gray wedges and filter wheels Photoelectric converter for both signals is driven in the same way. Signal tracking always takes time and delays the dynamic measurement process. The technical implementation of electrical or optical control elements also means additional effort.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die in Fig. 14 erkennbare signalpegelabhängige Zeitpunktverschiebung aufgrund der nichtlinearen Übertragungseigenschaften der Photodiode nach Anspruch 19 über ein geeignetes nichtlineares Netzwerkmodell, das über den bekannten Prozeß der experimentellen Modellierung gewonnen wird, in der Mikroprozessoreinheit fehlerkorrigiert.In a preferred embodiment, the signal level-dependent time shift which can be seen in FIG. 14 is error-corrected in the microprocessor unit due to the non-linear transmission properties of the photodiode according to claim 19 via a suitable non-linear network model which is obtained via the known process of experimental modeling.

Die am Ausgang des A/D-Wandlers vorliegenden gespeicherten Daten entsprechen den zu äquidistanten Zeitpunkten abgetasteten Signalwerten des Doppelimpulses. Eine direkte Abstandsmessung an den zeitdiskretisierten Signalen des Doppelimpulses, die durch das jeweilige Überschreiten eines definierten Signalschwellwerts bestimmt wird, ergibt sich ein maximaler Auswertefehler, der dem 2-fachen zeitlichen Abstand aufeinanderfolgender Abtastpunkte entspricht. Bei einem Meßbereich von beispielsweise 2 m und einer geforderten Auflösung von 1 mm müßten mindestens 2000 Abtastpunkt vorliegen. Gemäß Anspruch 55 erfolgt die Bestimmung des zeitsignifikanten Punktes nicht direkt über die zeitdiskreten Signaldaten, sondern erfindungsgemäß indirekt über eine lineare Regression. Dazu werden vorzugsweise alle Abtastpunkte, die auf der jeweiligen Impulsvorderflanke im Bereich von 10 und 90% der Signalamplitude liegen über eine Ausgleichsgerade im Sinne der kleinsten Fehlerquadrate angeglichen. Der Schnittpunkt mit dem gewählten Schwellwert ergibt dann gegenüber der direkten Zeitbestimmung einen verbesserten z 03498 00070 552 001000280000000200012000285910338700040 0002019513823 00004 03379eitsignifikanten Punkt. Eine anschließende Integration über weitere Meßereignisse ermöglicht eine verbesserte Abstandsmessung. Aus Zeitgründen ist es nach Anspruch 56 günstiger, die zeitliche Integration der zeitdiskretisierten Signale vor der Bestimmung der zeitsignifikanten Punkte vorzunehmen. Bei der beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Entfernungs­ meßgeräts werden bei einem Meßbereich von 2 m, 1024 zeitdiskretisierten Abtastpunkten und einer Integration über 16 Meßereignisse eine Meßunsicherheit von 200 bis 300 Mikrometer erreicht.The stored data at the output of the A / D converter correspond to the Equidistant times sampled signal values of the double pulse. A direct one Distance measurement on the time-discretized signals of the double pulse caused by the If a defined signal threshold value is exceeded in each case, the result is maximum evaluation error that is twice the time interval in succession Corresponds to sampling points. With a measuring range of, for example, 2 m and a required  A resolution of 1 mm should be at least 2000 sampling points. According to claim 55 the time-significant point is not determined directly via the time-discrete Signal data, but according to the invention indirectly via a linear regression. To do this preferably all sampling points on the respective pulse leading edge in the range of 10 and 90% of the signal amplitude lie over a best-fit line in the sense of the smallest Squares of errors adjusted. The intersection with the selected threshold then results an improved point compared to the direct time determination z 03498 00070 552 001000280000000200012000285910338700040 0002019513823 00004 03379. A subsequent integration via further measurement events enables an improved Distance measurement. For reasons of time, it is cheaper according to claim 56, the time Integration of the time-discretized signals before determining the time-significant points to make. In the exemplary embodiment of the distance according to the invention with a measuring range of 2 m, 1024 time-discretized sampling points and integration over 16 measurement events a measurement uncertainty of 200 to 300 micrometers reached.

Zur 3-D-Vermessung arbeitet das erfindungsgemäße Entfernungsmeßgerät mit einem Spiegelscanner 36. Nach Anspruch 24 ist auch ein faseroptischer Scanner verwendbar, der prinzipiell aus der PS 3904634C2 bekannt ist. In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform erfolgt nach Anspruch 57 die Sendestrahlfokussierung sowie der Empfang der reflektierten optischen Impulse nicht über eine schwingende Sende- und Empfangsoptik, sondern über eine gemeinsame statische Sende-/Empfangsoptik. Eine solche Anordnung führt zu größeren Empfangsaperturen. Denkbar ist nach Anspruch 58 auch eine optische Sende-/Empfangs­ einheit, die aus einer Kombination einer schwingenden Sendefaser nach der OS 3825081 A1 und einer statischen Empfangsoptik besteht. Dabei kann die schwingende Faser koaxial oder parallel zur optischen Achse des Empfängers angeordnet sein. Bei der parallelen Anordnung verläuft die Schwingungsebene tangential zur Kontur der Empfangslinse. Die Strahlfokussie­ rung erfolgt vorzugsweise mit einer mitschwingenden Selfoc-Linse. Bei einer koaxialen Anordnung weist die Empfangslinse nach Anspruch 59 vorzugsweise einen Spalt zur Aufnahme der schwingenden Sendefaser auf. Wegen des Abschattungseffekts kann die Faser auch mit einer geringen Ablage von der optischen Achse des Empfängers angeordnet sein.The distance measuring device according to the invention works with a mirror scanner 36 for 3- D measurement. According to claim 24, a fiber optic scanner can be used, which is known in principle from PS 3904634C2. In an embodiment according to the invention, the transmission beam focusing and the reception of the reflected optical pulses are not carried out via an oscillating transmission and reception optics, but via a common static transmission / reception optics. Such an arrangement leads to larger reception apertures. An optical transmission / reception unit is also conceivable, which consists of a combination of an oscillating transmission fiber according to OS 3825081 A1 and a static reception optics. The vibrating fiber can be arranged coaxially or parallel to the optical axis of the receiver. In the parallel arrangement, the plane of vibration is tangent to the contour of the receiving lens. The beam focusing is preferably carried out with a resonating Selfoc lens. In the case of a coaxial arrangement, the receiving lens preferably has a gap for receiving the oscillating transmission fiber. Because of the shadowing effect, the fiber can also be arranged with a small offset from the optical axis of the receiver.

Die mittels der schwingenden Sendefaser hervorgerufene Positionsänderung des Meßflecks führt auf der photoempfindlichen Detektorfläche zu Verschiebungen des Abbildungspunktes. Großflächige Dioden besitzen große Ansprechzeiten. Erfindungsgemäß besteht der Photodetektor nach Anspruch 60 aus einem Photodiodenarray, bestehend aus mehreren engbenachbarten und linear angeordneten und elektrisch voneinander isolierten Diodenchips.The change in position of the measuring spot caused by the oscillating transmission fiber leads to displacements of the imaging point on the photosensitive detector surface. Large diodes have long response times. According to the invention A photodetector according to claim 60 comprising a photodiode array consisting of several closely adjacent and linearly arranged and electrically isolated diode chips.

In einer weiteren Ausführungsvariante nach Anspruch 67 wird die Richtung des über eine Selfoc-Linse fokussierten Sendestrahls über einen mitschwingenden kleinen Umlenkspiegel, der beispielsweise am Ende des mechanischen Schwingers angebracht ist, um 90° gedreht, so daß in der Ruhephase der schwingenden Sendefaser die optischen Achsen des Sendestrahls und der Empfangsoptik übereinstimmen. Die Strahlumlenkung kann auch über eine Abschrägung des Faserendes erfolgen.In a further embodiment variant according to claim 67, the direction of the Selfoc lens focused transmission beam via an oscillating small deflection mirror, which is attached to the end of the mechanical vibrator, for example, rotated by 90 ° so that in the resting phase of the oscillating transmission fiber the optical axes of the transmission beam and the receiving optics match. The beam deflection can also have a The fiber end is chamfered.

Die Bestimmung der Sendestrahlrichtung erfolgt über eine Positionsbestimmung der jeweiligen Auslenkung der Sendefaser, die vorzugsweise über eine Federzunge ausgelenkt wird. Vorzugsweise wird nach Anspruch 61 die Metallzunge über eine Leuchtdiode angestrahlt und das reflektierte Licht von einem Positionsdetektor beispielsweise vom Typ S3274 empfangen. Sender und Empfänger sind vorzugsweise um 90° versetzt. Mit einer solchen einfachen und kostengünstigen Anordnung ist die Faserposition mit hoher Genauigkeit bestimmbar.The determination of the transmitted beam direction is carried out by determining the position of the respective deflection of the transmission fiber, which is preferably deflected via a spring tongue becomes. Preferably, according to claim 61, the metal tongue via a light emitting diode illuminated and the reflected light from a position detector, for example of the type  S3274 received. The transmitter and receiver are preferably offset by 90 °. With a such a simple and inexpensive arrangement, the fiber position is high Accuracy can be determined.

Claims (67)

1. Entfernungsmeßverfahren nach dem Prinzip der Laufzeitmessung eines optischen Meß­ impulses, der von einem Meßgerät ausgesandt, an einem Zielgegenstand reflektiert und als optisches Echosignal vom Meßgerät mittels einer Detektoreinrichtung empfangen wird, die einen mit dem Empfangszeitpunkt des optischen Meßimpulses in definierter Weise verknüpf­ ten Meßzeitpunkt ermittelt, dessen zeitlicher Abstand zu einem mit dem Sendezeitpunkt des optischen Meßimpulses in definierter Weise verknüpften Referenzzeitpunkt gemessen und zur Bestimmung der Laufzeit ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Laufzeit­ messung ultra-kurze Impulse hoher optischer Impulsleistung und hoher Impulsfolgefrequenz mit einer geringen mittleren Leistung verwendet werden.1. Distance measuring method according to the principle of the transit time measurement of an optical measuring pulse, which is emitted by a measuring device, reflected on a target object and received as an optical echo signal by the measuring device by means of a detector device which determines a measuring time linked to the receiving time of the optical measuring pulse in a defined manner , whose time interval to a reference time linked to the transmission time of the optical measuring pulse in a defined manner is measured and evaluated to determine the transit time, characterized in that ultra-short pulses of high optical pulse power and high pulse repetition frequency with a low average power are used for the transit time measurement . 2. Entfernungsmeßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ultra-kurzen optischen Impulse vorzugsweise mit Hilfe von Halbleiterlasern erzeugt werden, deren Laserresonator einen optischen Wellenleiter aufweist, der in vertikaler oder lateraler Richtung eine einseitig oder beidseitig schwache Indexführung hat.2. Distance measuring method according to claim 1, characterized in that the ultra-short optical pulses are preferably generated with the aid of semiconductor lasers, the Laser resonator has an optical waveguide in the vertical or lateral direction has weak index management on one or both sides. 3. Entfernungsmeßverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter­ laser vorzugsweise vom Typ eines Einfachheterostrukturlasers oder eines Doppelheterostruk­ turlasers mit Quasi-Indexführung ist.3. Distance measuring method according to claim 2, characterized in that the semiconductor preferably a single heterostructure or double heterostructure type laser turlasers with quasi-index management. 4. Entfernungsmeßverfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer dynamischen Höchstinjektion von Ladungsträgern in die aktive Zone des Halbleiterlasers die Änderungsrate des Pumpstroms so groß ist, daß innerhalb der Verzögerungszeit zwischen dem Beginn des Pumpens und des potentiellen Eintritts der Laseremission im normalen indexgeführten Betriebszustand die Ladungsträgerdichte im Laserresonator so stark angewachsen ist, daß aufgrund der Änderung des Indexprofils eine indexgeführte optische Wellenausbreitung im Laserresonator unterdrückt wird.4. Distance measuring method according to claims 2 and 3, characterized in that by means of a dynamic maximum injection of charge carriers into the active zone of the Semiconductor laser the rate of change of the pump current is so large that within the Delay between the start of pumping and the potential onset of Laser emission in the normal index-guided operating state the charge carrier density in Laser resonator has grown so much that due to the change in the index profile a index-guided optical wave propagation in the laser resonator is suppressed. 5. Entfernungsmeßverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der dynamischen Höchstinjektion von Ladungsträgern die Laseremission vorzugsweise in einem indexgeführten Q-Switching Mode erfolgt.5. Distance measuring method according to claim 4, characterized in that by means of dynamic maximum injection of charge carriers, the laser emission preferably in one index-guided Q-switching mode. 6. Entfernungsmeßverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstrahl­ richtung der Laseremission vorzugsweise senkrecht zur Emissionsapertur gegeben ist.6. Distance measuring method according to claim 3, characterized in that the main beam Direction of the laser emission is preferably perpendicular to the emission aperture. 7. Entfernungsmeßverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptstrahl­ richtung der Laseremission zur Normalen der Emissionsapertur geneigt ist.7. Distance measuring method according to claim 3, characterized in that the main beam direction of the laser emission is inclined to the normal of the emission aperture. 8. Entfernungsmeßverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bei Doppel­ heterostrukturlasern mit symmetrischer Quasi-Indexführung lateral erzeugten Leckwellen als optische Sende- und als optische Referenzsignale genutzt werden.8. Distance measuring method according to claim 3, characterized in that the double heterostructure lasers with symmetrical quasi-index guidance laterally generated leaky waves as optical transmit and be used as optical reference signals. 9. Entfernungsmeßverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfachheterostrukturlaser aus mindestens drei Materialschichten unterschiedlicher Dotierung besteht, die einen ersten Heteroübergang mit einem großen Indexsprung und einen zweiten mit einem sehr geringen positiven oder negativen oder fehlenden Indexsprung bilden.9. Distance measuring method according to claims 1 to 4, characterized in that the Single heterostructure laser made of at least three material layers with different doping consists of a first heterojunction with a large index jump and a second  with a very small positive or negative or missing index jump. 10. Entfernungsmeßverfahren nach den Ansprüchen 62 und 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfachheterostrukturlaser zusätzlich einen sättigbaren Absorber aufweist und in einem reinen indexgeführten Q-Switching Mode emittiert.10. Distance measuring method according to claims 62 and 1 to 4, characterized in that the single heterostructure laser additionally has a saturable absorber and in a pure index-guided Q-switching mode. 11. Entfernungsmeßverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4 und 62, dadurch gekennzeichnet, daß die ultra-schnellen Laserimpulse einen Chirp mit Rotverschiebung aufweisen und mittels Pulskompression in einen verkürzten optischen Impuls mit erhöhter Amplitude übergeführt werden.11. Distance measuring method according to claims 1 to 4 and 62, characterized in that the ultra-fast laser pulses have a chirp with red shift and by means of Pulse compression converted into a shortened optical pulse with increased amplitude will. 12. Entfernungsmeßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der ultra-kurzen optischen Impulse modengekoppelte Laserdioden dienen.12. Distance measuring method according to claim 1, characterized in that for generation the ultra-short optical pulses serve mode-locked laser diodes. 13. Entfernungsmeßverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ultra-schnellen Laserimpulse signalformtreu mittels breitbandiger optoelektronischer Wandler in elektrische Signale umgewandelt und signalformtreu über nachfolgende Breitband­ verstärker verstärkt werden.13. Distance measuring method according to claims 1 to 12, characterized in that the ultra-fast laser pulses are true to the shape of the signal using broadband optoelectronic Converters converted into electrical signals and true to form over subsequent broadband be amplified. 14. Entfernungsmeßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei den über einen photoelektrischen Wandler gewonnenen ultra-kurzen elektrischen Impulse eine Bestimmung des zeitsignifikanten Punktes auf der Impulsvorderflanke oder auf der Impuls­ rückflanke oder unter Verwendung sowohl der Impulsvorder- als auch der Impulsrückflanke erfolgt.14. Distance measuring method according to claim 1, characterized in that in the over a photoelectric converter obtained ultra-short electrical pulses Determination of the time-significant point on the pulse leading edge or on the pulse trailing edge or using both the leading and trailing edge he follows. 15. Entfernungsmeßverfahren nach den Ansprüchen 1 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß bei den ultra-kurzen elektrischen Impulsen eine Zeitbestimmung wenigstens über eine Mittelung der zeitsignifikanten Zeitpunkte auf der Impulsvorder- und Impulsrückflanke erfolgt.15. Distance measuring method according to claims 1 and 14, characterized in that in the case of the ultra-short electrical pulses, a time determination at least over one Averaging the time-significant times on the pulse leading and trailing edge he follows. 16. Entfernungsmeßverfahren nach den Ansprüchen 1, 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß über einen festen Schwellwert sowohl auf der Impulsvorder- als auch auf der Impulsrück­ flanke eines Impulses ein Zeitmeßpunkt gewonnen wird und die Bestimmung des zeitsignifi­ kanten Punktes über eine Mittelung der Zeitmeßpunkte auf der Impulsvorder- und der Impulsrückflanke erfolgt.16. Distance measuring method according to claims 1, 14 and 15, characterized in that over a fixed threshold on both the front and back pulse edge of a pulse a time measurement point is obtained and the determination of the time signifi edge point by averaging the time measuring points on the pulse front and Pulse trailing edge occurs. 17. Entfernungsmeßverfahren nach den Ansprüchen 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß die von einem gemeinsamen photoelektrischen Wandler empfangenen vorzugsweise periodi­ schen optischen Meßsignale und die den Referenzzeitpunkt bestimmenden optischen Referenzsignale mittels einer gemeinsamen Samplingeinheit abgetastet werden und die Bestimmung der zeitsignifikanten Punkte an den gesampelten Signalen in entsprechender Weise wie bei den nicht-gesampelten Signalen durchgeführt wird.17. Distance measuring method according to claims 1 and 13, characterized in that those received from a common photoelectric converter are preferably periodic rule optical measuring signals and the optical determining the reference time Reference signals are sampled using a common sampling unit and the Determination of the time-significant points on the sampled signals in a corresponding manner Way as is done with the non-sampled signals. 18. Entfernungsmeßverfahren nach den Ansprüchen 1 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß intensitätsabhängige interne Laufzeiten im Meßkanal, vorzugsweise das nichtlineare opto­ elektrische Übertragungsverhalten der Photodiode, über eine Kalibrierprozedur fehlerkorri­ giert werden. 18. Distance measuring method according to claims 1 and 17, characterized in that intensity-dependent internal transit times in the measuring channel, preferably the non-linear opto electrical transmission behavior of the photodiode, error correction via a calibration procedure be greeded.   19. Entfernungsmeßverfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßfehlerkorrektur vorzugsweise über ein nichtlineares Rechnermodell der Photodiode erfolgt.19. Distance measuring method according to claim 18, characterized in that a Measurement error correction preferably via a non-linear computer model of the photodiode he follows. 20. Entfernungsmeßverfahren nach den Ansprüchen 1 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die über eine Fokussiereinrichtung empfangenen Meßsignale vorzugsweise unmittelbar dem photoelektrischen Wandler zugeführt werden.20. Distance measuring method according to claims 1 and 17, characterized in that the measurement signals received via a focusing device preferably directly Photoelectric converters are supplied. 21. Entfernungsmeßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Strah­ lengang zusätzlich ein 1-D- oder 2-D-Scanner befindet.21. Distance measuring method according to claim 1, characterized in that in the beam lengang is also a 1-D or 2-D scanner. 22. Entfernungsmeßverfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß Laserquellen mit kleinen Laseraperturen verwendet werden.22. Distance measuring method according to claim 21, characterized in that laser sources can be used with small laser apertures. 23. Entfernungsmeßverfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die groß­ flächige Emissionsapertur einer Laserdiode mittels eines getaperten optischen Wellenleiters, der vorzugsweise aus einer getaperten optischen Faser besteht, verkleinert wird.23. Distance measuring method according to claim 22, characterized in that the large flat emission aperture of a laser diode using a tapered optical waveguide, which preferably consists of a tapered optical fiber, is reduced in size. 24. Entfernungsmeßverfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß zur topographischen Abtastung ein faseroptischer Scanner verwendet wird.24. Distance measuring method according to claim 21, characterized in that for topographical scanning a fiber optic scanner is used. 25. Entfernungsmeßgerät nach dem Prinzip der Laufzeitmessung eines optischen Meßimpulses mit einem Sender zur Aussendung optischer Sendeimpulse, einem Empfänger zum Empfang der durch Reflexion der Sendeimpulse an einem Zielobjekt erzeugten Echo­ impulse und zum Empfang der in vorgegebener zeitlicher Beziehung zu den Sendeimpulsen stehenden Referenzimpulse und mit einer Zeitmeßeinrichtung zur Messung des Zeitabstands zwischen jedem Referenzimpuls und einem zugeordneten Meßimpuls, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das ultra-kurze optische Referenzsignal (14) und das über eine Empfangsoptik (7) gewonnene ultra-kurze Echosignal (78) auf eine gemeinsame Photodiode (9) gegeben und die Signale signalformtreu in elektrische Referenz- und Meßsignale umgewandelt werden.25. Distance measuring device according to the principle of the transit time measurement of an optical measuring pulse with a transmitter for emitting optical transmission pulses, a receiver for receiving the echo pulses generated by reflection of the transmission pulses on a target object and for receiving the reference pulses in a predetermined temporal relationship to the transmission pulses and with one Time measuring device for measuring the time interval between each reference pulse and an associated measuring pulse, for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the ultra-short optical reference signal ( 14 ) and the ultra-short echo signal ( 78 ) obtained via an optical receiving system ( 7 ) placed on a common photodiode ( 9 ) and the signals are converted into electrical reference and measurement signals true to the shape. 26. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die am Ausgang der Photodiode (9) auftretenden ultra-kurzen elektrischen Referenz- und Meßsignale mittels einer höchstfrequenten Breitbandverstärkereinheit, bestehend aus einem Transimpedanzverstärker (80), Vorverstärker (82) und Hauptverstärker (83), signalformtreu verstärkt werden (Fig. 9A).26. Distance measuring device according to claim 25, characterized in that the ultra-short electrical reference and measurement signals occurring at the output of the photodiode ( 9 ) by means of a high-frequency broadband amplifier unit, consisting of a transimpedance amplifier ( 80 ), preamplifier ( 82 ) and main amplifier ( 83 ) , are amplified according to the shape of the waveform ( FIG. 9A). 27. Entfernungsmeßgerät nach den Ansprüchen 25 und 26, dadurch gekennzeichnet, daß die ultra-kurzen Referenz- und Meßsignale mittels einer ultraschnellen Komparatorschaltung (84, 85, 95, 96, 97) in Rechteckimpulse umgewandelt werden (Fig. 11A).27. Distance measuring device according to claims 25 and 26, characterized in that the ultra-short reference and measurement signals are converted into square-wave pulses by means of an ultra-fast comparator circuit ( 84 , 85 , 95 , 96 , 97 ) ( Fig. 11A). 28. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (85) einen Differenzverstärker mit ultra-schnellen Mikrowellen-FETs aufweist.28. Distance measuring device according to claim 27, characterized in that the comparator ( 85 ) has a differential amplifier with ultra-fast microwave FETs. 29. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitabstandsmessung mittels einer Zeitmeßeinheit (86, 87, 98) erfolgt (Fig. 11A). 29. Distance measuring device according to claim 28, characterized in that the time interval measurement is carried out by means of a time measuring unit ( 86 , 87 , 98 ) ( Fig. 11A). 30. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsfolgefrequenz der ultra-kurzen Impulse über einen Mischvorgang aus einem Mikrowellenoszillator gewonnen wird, der gleichzeitig als Zähler zur Zeitauswertung des Zeitabstands von Referenz- und Meßsignal dient.30. Distance measuring device according to claim 25, characterized in that the Pulse repetition frequency of the ultra-short pulses via a mixing process from one Microwave oscillator is obtained, which also serves as a counter for time evaluation of the The time interval between the reference and measurement signal is used. 31. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler vorzugsweise in Submikron-FET-Technologie realisiert ist.31. Distance measuring device according to claim 30, characterized in that the counter is preferably realized in submicron FET technology. 32. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der ultra-kurzen optischen Impulse durch eine dynamische Höchstinjektion von Ladungsträgern vorzugsweise in die aktive Zone einer Einfachheterostruktur-Laserdiode erfolgt.32. Distance measuring device according to claim 25, characterized in that the generation of ultra-short optical impulses through a dynamic maximum injection of charge carriers preferably in the active zone of a single heterostructure laser diode. 33. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Laseremission vorzugsweise im indexgeführten Q-Switching Mode erfolgt.33. Distance measuring device according to claim 32, characterized in that the laser emission preferably in index-guided Q-switching mode. 34. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Temperaturkontrolleinheit der Q-Switching Lasermode sichergestellt wird.34. Distance measuring device according to claim 33, characterized in that by means of a Temperature control unit of the Q-switching laser mode is ensured. 35. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 32 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterdiode ungehäust in Form eines Chips in den Pumpstromkreis integriert ist.35. Distance measuring device according to one of claims 32 to 34, characterized in that the semiconductor diode is integrated into the pump circuit in the form of a chip. 36. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 32 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterlaserquelle vorzugsweise aus einem einzigen Laserchip besteht.36. Distance measuring device according to one of claims 32 to 35, characterized in that the semiconductor laser source preferably consists of a single laser chip. 37. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterlaser­ quelle aus mehreren Laserdioden besteht, deren Laseremission in kohärenter Wechselwirkung stehen.37. Distance measuring device according to claim 25, characterized in that the semiconductor laser source consists of several laser diodes, the laser emission of which in a coherent interaction stand. 38. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladekreis des Avalanche-Pulsgenerators in Planartechnologie aus den Elementen Ladekondensator (52), Transistor (53), Leitungsbrücke (55), Laserdiode (49), Metallkontakt (50) und Leitungsbrücke (51) besteht, die auf elektrisch kürzestem Wege vorzugsweise rechteckförmig angeordnet sind (Fig. 6).38. Distance measuring device according to claim 25, characterized in that the discharge circuit of the avalanche pulse generator in planar technology from the elements charging capacitor ( 52 ), transistor ( 53 ), lead bridge ( 55 ), laser diode ( 49 ), metal contact ( 50 ) and lead bridge ( 51 ) exists, which are preferably arranged in the shortest possible electrical way in a rectangular manner ( FIG. 6). 39. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 25 und 38, dadurch gekennzeichnet, daß der planare Entladekreis aus Laserdiode (49, 66), Transistor (53) und Ladungsspeicher (52) auf einer gemeinsamen Wärmesenke (48) aufgebaut sind.39. Distance measuring device according to one of claims 25 and 38, characterized in that the planar discharge circuit of laser diode ( 49 , 66 ), transistor ( 53 ) and charge store ( 52 ) are constructed on a common heat sink ( 48 ). 40. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 25 und 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente des Entladekreises bei einer Wärmesenke mit positiver Polarität, Laserdiode (49), Kondensator (52) und Transistor (53), in Reihe angeordnet und elektrisch auf kürzestem Wege miteinander verbunden sind (Fig. 7A).40. Distance measuring device according to one of claims 25 and 38, characterized in that the elements of the discharge circuit in a heat sink with positive polarity, laser diode ( 49 ), capacitor ( 52 ) and transistor ( 53 ), arranged in series and electrically by the shortest route are connected ( Fig. 7A). 41. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 25 und 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente des Entladekreises bei einer Wärmesenke mit negativer Polarität, Laserdiode (66), Transistor (53) und Kondensator (52), in Reihe angeordnet und elektrisch auf kürzestem Wege miteinander verbunden sind (Fig. 7B). 41. Distance measuring device according to one of claims 25 and 38, characterized in that the elements of the discharge circuit in a heat sink with negative polarity, laser diode ( 66 ), transistor ( 53 ) and capacitor ( 52 ), arranged in series and electrically by the shortest route are connected ( Fig. 7B). 42. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 25 und 38, dadurch gekennzeichnet, der Lasersender (66, 98, 53, 52, 65, 64, 48) quasi-monolithisch vorzugsweise auf einem Grundkörper 99 aus Silizium aufgebaut ist, der mittels Trockenätztechniken zur planaren Aufnahme der Bauelement-Chips (66, 53, 52) in geeigneter Weise (100) strukturiert ist und eine elektrische Isolationsschicht 101 aufweist.(Fig. 7C).42. Distance measuring device according to one of claims 25 and 38, characterized in that the laser transmitter ( 66 , 98 , 53 , 52 , 65 , 64 , 48 ) is constructed quasi-monolithically, preferably on a base body 99 made of silicon, which is used for planar recording by means of dry etching techniques the component chip ( 66 , 53 , 52 ) is structured in a suitable manner ( 100 ) and has an electrical insulation layer 101 ( FIG. 7C). 43. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 und 25, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Referenzsignal über die rückwärtige Laseremission eines Halbleiterlaserchips gewonnen wird.43. Distance measuring device according to one of claims 1 and 25, characterized in that the optical reference signal via the rear laser emission of a semiconductor laser chip is won. 44. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1, 25 und 43, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Referenzsignal über eine optische Faser, die an die rückwärtige Laserapertur eines Halbleiterlaserchips angekoppelt ist, gewonnen wird.44. Distance measuring device according to one of claims 1, 25 and 43, characterized in that that the optical reference signal via an optical fiber that is connected to the rear laser aperture of a semiconductor laser chip is coupled, is obtained. 45. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1, 25 und 43, dadurch gekennzeichnet, daß die rückwärtige Laseremission als Referenzsignal unmittelbar dem photoelektrischen Wandler zugeführt wird.45. Distance measuring device according to one of claims 1, 25 and 43, characterized in that that the rear laser emission as the reference signal directly the photoelectric Transducer is fed. 46. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1, 25, 43, 45 und 66, dadurch gekennzeichnet, daß der Lasersender mit Entladekreis (53, 52, 65) und Laserdiode (66) sowie der Photodetektor mit Photodiodenchip (102) eine mikrosystemtechnische Baueinheit bilden Fig. 8A).46. Distance measuring apparatus according to any one of claims 1, 25, 43, 45 and 66, characterized in that the laser transmitter with the discharge circuit (53, 52, 65) and laser diode (66) and the photodetector with photodiode chip (102) has a microsystem unit form Figure . 8A). 47. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 43 und 45, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Referenz- und Meßsignale über eine gemeinsame photoempfindliche Fläche in elektrische Signale umgewandelt werden.47. Distance measuring device according to one of claims 43 and 45, characterized in that the optical reference and measurement signals over a common photosensitive surface in electrical signals are converted. 48. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, daß die rückwärtige Laserstrahlung des Laserdiodenchips über einen Streukörper auf die photoempfindliche Fläche gestreut wird.48. Distance measuring device according to claim 47, characterized in that the rear Laser radiation from the laser diode chip via a scattering body onto the photosensitive Area is strewn. 49. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 43 und 45, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal lateral und das Meßsignal normal dazu in den Photodiodenchip eingestrahlt wird.49. Distance measuring device according to one of claims 43 and 45, characterized in that the reference signal laterally and the measurement signal normally in the photodiode chip is irradiated. 50. Entfernungsmeßgerät nach den Ansprüchen 25, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Referenz- und Meßsignale mittels einer gemeinsamen Samplingeinheit abgetastet werden.50. Distance measuring device according to claims 25, characterized in that the electrical reference and measurement signals sampled by means of a common sampling unit will. 51. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, daß die abgetasteten analogen Referenz- und Meßsignale über einen A/D-Wandler digitalisiert werden.51. Distance measuring device according to claim 50, characterized in that the scanned analog reference and measurement signals can be digitized using an A / D converter. 52. Entfernungsmeßgerät nach den Ansprüchen 50 und 51, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitabstand eines abgetasteten digitalisierten Referenz- und des zugeordneten Meßsignals mit Hilfe einer Mikroprozessoreinheit bestimmt wird.52. Distance measuring device according to claims 50 and 51, characterized in that the Time interval between a sampled digitized reference signal and the associated measurement signal A microprocessor unit is determined. 53. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, daß der photoelektrische Wandler ein ultraschneller Avalanche-Photodiodenchip ist. 53. Distance measuring device according to claim 50, characterized in that the photoelectric converter is an ultra-fast avalanche photodiode chip.   54. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorvorspannung (72) der Photodiode, die sich aus der Vorspannung Uv (71) und den Widerständen R₁ (73) und R₂ (74) ergibt, über eine Regeleinrichtung (70) nachgeführt wird (Fig. 10B).54. Distance measuring device according to claim 53, characterized in that the detector bias voltage ( 72 ) of the photodiode, which results from the bias voltage U v ( 71 ) and the resistors R₁ ( 73 ) and R₂ ( 74 ), tracked via a control device ( 70 ) ( Fig. 10B). 55. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, daß die Glättung der Impulsvorderflanken vorzugsweise über eine lineare Regression erfolgt.55. Distance measuring device according to claim 51, characterized in that the smoothing of the Pulse leading edges are preferably carried out via a linear regression. 56. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Impulsflankenglättung durch lineare Regression eine Meßwerteintegration durchgeführt wird.56. Distance measuring device according to claim 55, characterized in that before Pulse edge smoothing is carried out by linear regression. 57. Entfernungsmeßverfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der faseroptische Scanner eine gemeinsame statische Sende-/Empfangsoptik aufweist.57. Distance measuring method according to claim 24, characterized in that the fiber-optic scanner has a common static transmission / reception optics. 58. Entfernungsmeßverfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß der faseroptische Scanner eine schwingende Sendefaser, die koaxial oder parallel zur optischen Achse des Empfängers angeordnet ist, und eine statische Empfangsoptik aufweist.58. Distance measuring method according to claim 24, characterized in that the fiber optic scanner is a vibrating transmission fiber that is coaxial or parallel to the optical Axis of the receiver is arranged, and has a static receiving optics. 59. Entfernungsmeßverfahren nach Anspruch 58, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangslinse einen Spalt zur Aufnahme der schwingenden Faser und zur freien Abstrahlung der Sendeimpulse aufweist.59. Distance measuring method according to claim 58, characterized in that the Receiving lens a gap for receiving the vibrating fiber and for free radiation which has transmission pulses. 60. Entfernungsmeßverfahren nach Anspruch 59, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorfläche ein ultra-schnelles Photodiodenarray ist, das aus mehreren engbenachbarten und linear angeordneten und elektrisch voneinander isolierten Diodenchips besteht.60. Distance measuring method according to claim 59, characterized in that the Detector area is an ultra-fast photodiode array that consists of several closely neighboring and linearly arranged and electrically isolated from each other diode chips. 61. Entfernungsmeßverfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsbestimmung der optischen Faser nach dem Triangulationsprinzip vorzugsweise mittels einer Leuchtdiode und eines Positionsdetektors erfolgt.61. Distance measuring method according to claim 25, characterized in that the Position determination of the optical fiber preferably based on the triangulation principle by means of a light emitting diode and a position detector. 62. Entfernungsmeßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die allgemein bei Höchstinjektion auftretenden kombinierten Betriebsmoden über gezielte Maßnahmen in reine Betriebsmoden übergeführt werden.62. Distance measuring method according to one of claims 1 to 5 and 9, characterized characterized that the combined occurring at maximum injection Operating modes can be converted into pure operating modes via targeted measures. 63. Entfernungsmeßverfahren nach Anspruch 62, dadurch gekennzeichnet, daß ein reiner Material-Gain-Switching Betriebszustand über ein Treppenprofil des Brechungsindexverlaufs realisiert wird.63. Distance measuring method according to claim 62, characterized in that a pure Material gain switching operating status via a stair profile of the refractive index curve is realized. 64. Entfernungsmeßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude eines ultra-kurzen Impulses als zeitsignifikanter Punkt definiert ist und dieser vorzugsweise an der differentierten Impulsform über eine Nulldurchgangsdetektion bestimmt wird.64. Distance measuring method according to one of claims 1 to 13, characterized in that the amplitude of an ultra-short pulse is defined as a time-significant point and this preferably on the differentiated pulse shape via a zero crossing detection is determined. 65. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 25 und 39 bis 42, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Laserdiodenchip und der Entladekreis auf einer gemeinsamen Wärmesenke befinden, die temperaturkontrolliert ist.65. Distance measuring device according to one of claims 25 and 39 to 42, characterized characterized in that the laser diode chip and the discharge circuit on a common Heat sink are located, which is temperature controlled. 66. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 25, 43 und 45, dadurch gekennzeichnet, daß Laserdiodenchip, Entladekreis und Photodiodenchip miteinander integriert sind und eine mikrosystemtechnische Baueinheit darstellen.66. Distance measuring device according to one of claims 25, 43 and 45, characterized in that  that laser diode chip, discharge circuit and photodiode chip are integrated with one another Represent microsystem technical unit. 67. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 24, 58, 60 und 61, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise mittels eines mitschwingenden Umlenkspiegels oder Abschrägung des Faserendes die Richtung des aus der Faser austretenden Sendestrahls um vorzugsweise 90° gedreht wird.67. Distance measuring device according to one of claims 24, 58, 60 and 61, characterized characterized in that preferably by means of an oscillating deflecting mirror or Chamfer the fiber end by the direction of the transmitted beam emerging from the fiber is preferably rotated 90 °.
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