DE2257445A1

DE2257445A1 - Elektrooptischer entfernungsmesser

Info

Publication number: DE2257445A1
Application number: DE2257445A
Authority: DE
Inventors: Klas Rudolf Wiklund
Original assignee: AGA AB
Current assignee: AGA AB
Priority date: 1971-11-25
Filing date: 1972-11-23
Publication date: 1973-06-07
Also published as: DE2257445B2; CH547502A; US3898007A; JPS4861165A; SE358243B

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. STROHSCHÄNK

8000 MÜNCHEN 60 · MUSÄUSSTRASSE 5 · TELEFON (0811) 881608 2257445

23.11. \\y(2S

AGA JVKTIKIiOLAG, Lidingö 1 (Schweden)

Elektrooptischer Entfernungsmesser

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrooptischen Entfernungsmesser mit einem oignalsender für modulierte elektromagnetische Wellen, die im Transinissionsbereich des menschlichen Auges enthalten sind wie ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht, mit einem Empfänger mit einem für solche v/ellen empfindlichen Detektor und einer Ausrichteinrichtung, die ein Ausrichten des Entfernungsmessers auf den fernen Punkt der heßstrecke mit Hilfe des Auges ermöglicht, und mit mit dem öignalsender und dem Empfänger gekoppelten Analysatoren zum Bestimmen der gemessenen Entfernung.

Derartige Entfernungsinesser senden elektromagnetische Wellen aus, die sich häufig zu einer üeflexion an dem Punkte eignen, dessen Abstand vom Aufstellungsort des Entfernungsmessers bestimmt werden soll. Die reflektierten '.."eilen werden dann nach ihrer Rückkehr zum Entfernungsmesser an einem darin vorgesehenen Detektor festgestellt, der dafür empfindlich ist. Der Empfänger kann natürlich auch am fernen Punkt der LeJjstrecke aufgestellt werden, jedoch gestaltet sich dann der Meßvorgang komplizierter, da aktive Geräte an zwei Orten aufgebaut werden müssen, die mitunter sehr weit voneinander entfernt sind.

Spezieller ist die Erfindung mit solchen Entfernungsmessern befaßt, bei denen die übertragenen elektromagnetischen Wellen aus' infrarotem,

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sichtbarcra oder ultraviolet teia Licht beutchen. Elektromagnetische ..eilen solcher Art hüben ger.ioinuaii, dal: aio innerhalb des 'iransmisaionfjbcreichij des Menschlichen Auges liefen.

,!enn elektrooptische Gerate ait unterschiedlichem gegensei,tigern Abstand sum Einsatz kommen, so variiert die Stärke des einfallenden Signals stark mit variierender Entfernung zwlscheu Keßgerät und Reflektor, üa sich das Licht mit dem Quadrat der Entfernung vom Sender zum lieflektor und unter der Annahme einer im Vergleich zum Strahlquerschnitt kleinen Heflektorflächetauch mit dem Quadrat der Entfernung vom Reflektor bis zurück zum Empfänger ausbreitet, nimmt seine Intensität itiit der vierten Potenz der gemessenen Entfernung ab. Daraus ergibt sich die Forderung nach hoher Linearität für den Detektor, beispielsweise einen Fotovervielfacher, im Empfänger. Gleichzeitig führt dies auch zu großen Unterschieden in der 'wirkung auf das beobachtende Auge. Dadurch kann das Auge unerwünschter Strahlungswirkung ausgesetzt sein, gegen die es sich selbst beispielsweise mittels Pupillenverengung und der Verteilung der Lichtintensität über den Augenhintergrund dienender Bewegungen nur schwer schützen kann. Dies gilt insbesondere für im Bereich des ultravioletten oder infraroten Lichts liegende Strahluni;, auf die das menschliche Auge nicht reagiert, durch die es aber gleichwohl geschädigt werden kann. Verstärkt wird dieser unerwünschte Effekt noch durch die lichtstarken optischen Systeme, die zur Erhöhung der Reichweite bei der Messung großer Entfernungen verwendet werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Entfernungsmesser der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß eine schädigende wirkung der am Empfänger einfallenden elektromagnetischen Wellen auf das Auge eines den Entfernungsmesser ausrichtenden Beobachters vermieden bleibt.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelüot, daß Detektor und Signalsender über eine Steucistufe gekoppelt sind, die anhand des mittleren Pegels des empfangenen Signals die mittlere

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Intensität des ausgesandten Signals so steuert, daß der mittlere Pegel des empfangenen Signals unabhängig von der Länge der ließstrecke ständig innerhalb eines bestimmten für den -Detektor ausreichenden Viertebereichs verbleibt.

Dank der erfindungsgemäßen Ausbildung des Entfernungsmessers wird also das vom Sender ausgesandte Signal in seiner Wirkung der zu messenden Entfernung angepaßt. Dadurch wird nicht nur eine Schädigung des Beobachterauges vermieden, sondern es kann außerdem auch die verlorene Senderleistung verringert und der Dynamikbereich des Senders verkleinert werden.

Bei einer gebräuchlichen'Art elektrooptischer Entfernungsmesser wird mit sichtbarem Licht gearbeitet, da sich Sender und Empfänger dann ohne weiteres mit Hilfe eines Sichtfernrohrs auf den fernen Punkt einer Heßstrecke ausrichten lassen. Hit solchen Entfernungsmessern lassen sich Entfernungen bis au einigen zehn Kilometern messen. Bei den bisher üblichen Entfernungsmessern wird dann die Senderleistung der größtmöglichen Entfernung angepaßt, so daß sie für Messungen über kürzere Entfernungen unnötig groß wird. Dies v/irkt sich beim Ausrichten von Sender und Empfänger mittels des Kichtfernrohrs in Form einer sehr starken Lichtbelaßtung für das Beobachterauge aus, die durch das optische System des Eichtfernrohrs noch weiter erhöht wird» so daß Messungen über kürzere Entfernungen zu Augenschäden beim Beobachter führen können. Durch die erfindungsgemäße Anpassung der Sen&erleistung an die Keßentfernung wird eine solche Gefahr für den Beobachter zumindest sehr weitgehend vermieden«

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise vei'anschaulicht; es zeigen: .

Fig. 1 ein erstec Äußführungsbeispiel für einen erfindungsgemäß ausgebildeten Entfernungsmesser in Fora eines Blockschaltbildes;

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Fie· 2 einen ähnlich gebauten Entfernungsmesser mit mehr Einzelheiten und

Fig. 3 eine AusführungsVariante für eine Einzelheit des Entfernungsmessers nach Fig. 2.

In der nachstehenden Beschreibung sind als Aueführungsbeispiele Entfernungsmesser behandelt, die mit sichtbarem Licht arbeiten. Als Lichtquelle kommt in diesem Falle eine gewöhnliche Glühfadenlampe, eine Quecksilberdampflampe, eine Lichtdiode oder ein kontinuierlich arbeitender Laser in Betracht. Der Aufbau von Entfernungemessern, deren Signalsender ultraviolettes oder infrarotes Licht ausstrahlen, ist weitgehend analog.

Der in Fig. 1 dargestellte Entfernungsmesser besitzt einen Signalsender 1, der zum einen die Lichtquelle selbst und zum anderen eine l'iodulationssignalquelle enthält. Diese gibt ein Modulations signal ab, das sur Modulation des von der Lichtquelle, die beispielsweise eine Glühfadenlampe, eine Quecksilberdampflampe oder ein Laser sein kann, abgegebenen Lichts dient, so daß das vom Signalsender 1 abgestrahlte Signal 2 aus modulierten elektromagnetischen Wellen besteht. Dieses Signal 2 wird am fernen Ende der Meßstrecke beispielsweise an einem Prisma 3 umgelenkt und so zu einem ebenfalls zum Entfernungsmesser gehörigen Empfänger *f reflektiert.

Der Empfänger *f enthält einen Detektor, der sichtbares Licht in elektrische Signale umwandeln kann und beispielsweise aus einem Fotovervielfacher bestellt. Von Signalsender 1 wird das 1-iodulationssignal über eine entsprechende Verbindung auch zum Empfänger k geleitet und bewirkt dort eine Modulation am Detektor. .

Dae εο vom Detektor abgegebene Signal wird einem Verstärker 5 zugeführt und gelangt von dort zu einem zum Entfernungsmesser gehörigen Analysator 6, der ebenfalls mit dem Modulationseignal vom Signalsender 1 gespeist wird. Der Aufbau des Analysators 6 ist in verschiede· nerlei „ieice möglich. Ein brauchbares Beispiel dafür ist in der Uü-FS 3 488 585 beschrieben.

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Das Ausgangssignal des Empfängers h wird nicht nur dem Analysator 6 zugeführt, sondern außerdem über ein Tiefpaßfilter 7 und einen Verstärker 8 auf einen Steuereingang 9 des Signalsenders 1 rückgekoppelt. Dabei dient das Tiefpaßfilter 7 dazu, die Hochfrequenz des Lichtsignals aus dem Steuersignal herauszufiltern.

Das Steuersignal stellt eine Funktion des mittleren Pegels der am Empfänger k ankommenden elektromagnetischen Wellen dar und eignet sich zur Beeinflussung der mittleren Intensität der vom Signalsender 1 abgestrahlten elektromagnetischen Wellen· In dem hier behandelten Falle bestehen diese elektromagnetischen Wellen aus sichtbarem Licht, und das Steuersignal ist daher eine Funktion der mittleren Intensität des am Empfänger h einfallenden Lichts.

Das erfindungsgemäß gewonnene Steuersignal eignet sich zur Steuerung des abgestrahlten Lichts und wird so in Anwendung gebracht, daß die Intensität des einfallenden Lichts innerhalb eines bestimmten Bereichs gehalten wird. Wird der dargestellte Entfernungsmesser zum Messen einer großen Entfernung benutzt, so befindet sich das Prisma 3 entsprechend in einem großen Abstand vom Signalsender 1 und vom Empfänger k. Der Signalsender 1 wird so gesteuert, daß die mittlere Intensität des abgestrahlten Lichts groß genug ist, damit das am Empfänger k einfallende Licht eine so große Intensität aufweist, daß eine optimale Einstellung des Arbeitsbereichs erhalten wird, so daß das Signal/Bausch-Verhältnis so groß wird wie möglich. Soll nun eine erheblich^kürzere Entfernung gemessen werden, so liegt es auf der Hand, daß die abgestrahlte Lichtintensität unnötig groß werden würde. Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Entfernungsmesser ist daher vorgesehen, diese Lichtintensität auf einen Wert zu reduzieren, der völlig ausreicht, um den Detektor im Empfänger 4 bei der Umwandlung der Lichtsignale in elektrische Signale befriedigend arbeiten zu lassen.

V/enn die Lichtquelle eine Lichtdiode ist, so bedarf es keiner besonderen Hodulationseinrichtung im Signalsender 1, sondern es kann

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dann mit Hilfe des Kodulationssignals unmittelbar der Betriebsstrom für die Lichtdiode variiert werden.

In Fig. 2 ist veranschaulicht, wie die oben erwähnte Steuerung in dem Falle vorgenommen wird, daß die Lichtquelle aus einer Lampe oder einem Laser besteht. Dabei strahlt die eigentliche Lichtquelle 10 ihr Licht über eine Sammellinse 11 zu einen Hodulator 12, der beispieleweise eine Kerr-Zelle oder ein Pockels-Hodulator sein kann. Nach dem Durchgang durch den Modulator 12 wird das dann divergente Lichtbündel durch eine Linse 13 gesammelt und als das Signal 2 bildender Parallelstrahl auf einen Reflektor am fernen Ende der ^1-1eßstrecke gerichtet. Dort wird der Lichtstrahl reflektiert und gelangt nach Durchgang durch eine Sammellinse 1*f zu einem Detektor 13 im Empfänger. Dieser Detektor 13 kann beispielsweise ein Fotovervielfacher, eine Avalanche-Diode oder eine fotodiode sein. Das einfallende Licht wird im Detektor 13 in ein elektrisches Signal umgewandelt, das zum einen dem Analysator 6 und zum anderen über das Tiefpaßfilter 7 und den Verstärker 8 dem Signalaender zugeleitet wird. Dabei iat die Arbeitsweise dieser letztgenannten Bauelemente wieder die gleiche wie bei dem Ausführungsbeiapiel nach Fig. 1. Die Verbindungen «wischen dem Analysator 6 einerseits und Signalsender und Empfänger andererseits sind in Fig. 2 nicht weiter dargestellt.

Unter der Annahme, daß der Modulator 12 eine lerr-Zelle ist, eo erfolgt die Modulation als das Ergebnis eines dieser Kerr-Zelle zugeführten Modulationssignals, das zum einen aus einer Modulationsspannung und zum anderen aus einer Vorspannung besteht. Die Modulationsspannung wird durch einen Oszillator 16 erzeugt und dem Modulator 12 über einen Verstärker 17 zugeführt, der einen Steuereingang 18 besitzt. Durch Anlegen eines Steuersignals an diesen Steuereingang 18 läßt sich die Amplitude der Modulationsspannung steuern. Die Vorspannung im Modulationssignal wird durch eine variable Gleichepannungsquelle 19 erzeugt, die einen Steuereingang 20 aufweist.

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Die mittlere Intensität des vom Modulator 12 ausgehenden Lichtsignals läßt sich mit Hilfe der Vorspannung aus der Gleichspannungsquelle 19 steuern. Auf diese Weise kann der Gleichspannungspegel, um den herum die Modulation erfolgt, in Abhängigkeit von der Intensität des empfangenen Signals eingestellt werden. Außerdem wird die Auswahl für den Modulationsgrad passend so getroffen, daß sich eine optimale !Relation für die jeweilige Entfernung ergibt, die das schlechteste Signal/Eausch-Verhältnis im Empfänger liefert. Wird außerdem die Begrenzung eingeführt, daß die Modulation stets das gleiche Vorzeichen haben soll, so lassen sich alle unerwünschten Harmonischen in einfacher Meise unterdrücken. Durch Steuerung nicht nur des Gleichspannungspegels im Modulationssignal sondern auch der Modulationsspannung in Abhängigkeit von der mittleren Intensität des empfangenen Signals läßt sich ein größerer Dynamikbereich erhalten.

Zur Erhöhung der Detektorempfindlichkeit für den informationstragenden Lichtstrahl kann vor dem Detektor ein optisches Bandpaßfilter angeordnet werden, so daß die Strahlung aus der Umgebung weggefiltert wird.

In Fig. 3 ist eine Alternativausführung für das in Fig. 2 dargestellte Tiefpaßfilter 7 veranschaulicht. Das Ausgangssignal des Verstärkers 5 wird in Fig. 3 einem Bandpaßfilter 21 und sodann einem Tiefpaßfilter 22 mit einem Gleichrichter und schließlich den Steuereingängen der Modulationssignalquelle zugeführt. Am Ausgang des Tiefpaßfilters 22 wird als Ergebnis eine Hullkurve für das inforiaationstragende Signal vom Empfänger erhalten«

Mit Hilfe des erfindungsgemäß ausgebildeten Entfernungsmessers läßt sich durch Bestimmung der mittleren Intensität des einfallenden Lichts und deren Rückkopplung auf den Modulator eine Arbeitsweise mit automatischer Anpassung an einen notwendigen und hinreichenden Signalpegel realisieren.

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Entfernungsmesser der oben beschriebenen Art arbeiten häufig nit einem sehr schmalen Lichtbündel, das einem Reflektor zugestrahlt wird. Dabei kann jedoch insbesondere bei Messungen über große Entfernungen Turbulenz in der Luft zu kleinen Änderungen in der Richtung des Lichtbündels führen. Bei Verwendung sehr kleiner Reflektoren werden dann nur die Randstrahlen des Lichtbündels auf den Reflektor auftreffen, und die Intensität des empfangenen reflektierten Lichts wird zu klein, als daß sie eine genaue Entfernungsmessung zuließe. Bei dem erfindungsgeraäß ausgebildeten Entfernungsmesser wird in einem solchen Falle die Intensität des abgestrahlten Lichtbündels automatisch gesteigert, wenn nur die Randstrahlen den Reflektor treffen, da der Empfänger über das Steuersignal nach einer Zunahme der Lichtintensität verlangt. IVenn dann das Lichtbündel infolge Abnahme der Luftturbulenz wieder unmittelbar auf den Reflektor gerichtet ist, nimmt die Intensität des empfangenen Lichtes entsprechend zu, und der Empfänger steuert den Signalsender über das Steuersignal dann so, daß die abgestrahlte Lichtintensität wieder herabgesetzt wird. Auf diese Weise schafft ein erfindungsgemäil ausgebildeter Entfernungsmesser sogar eine gewisse Kompensation für Luftturbulenz auf der Keßstrecke.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

lektrooptischer Entfernungsmesser mit einem Signalsender für modulierte elektromagnetische fellen, die im Transmissionsbereich des menschlichen Auges enthalten sind wie ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht, mit einem Empfänger mit einem für solche fellen empfindlichen Detektor und einer Ausrichteinrichtung, die ein Ausrichten des Entfernungsmessers auf den fernen Punkt der Heßstrecke mit Hilfe des Auges ermöglicht, und mit mit dem Signalsender und dem Empfänger gekoppelten Analysatoren zum Bestimmen der gemessenen Entfernung, dadurch gekennzeichnet, daß Detektor (^f; I5) und Signalsender (1; 10, 11, 12, 13) über eine Steuerstufe (5, 7, 8) gekoppelt sind, die anhand des mittleren Pegels des empfangenen Signals die mittlere Intensität des ausgesandten Signals so steuert, daß der mittlere Pegel des empfangenen Signals unabhängig von der Länge der Meßstrecke ständig innerhalb eines bestimmten für den Detektor ausreichenden '.Jertebereichs verbleibt.

2. Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Intensität des ausgesandten Signals anhand des mittleren legeis der informationstragenden Frequenz des empfangenen Signals gesteuert wird.

3· Entfernungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, mit Modulation des ausgesandten Signals mit Hilfe einer liodulationsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Intensität des ausgesandten Signals durch den seinerseits durch das empfangene Signal beeinflußten Pegel des Gleichspannungsanteils der Modulationsspannung gesteuert wird.

k. Entfernungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das enrpfan.-jene Signal auch die Amplitude der" iiodulatiansspanuung beeinflußt.

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5. Entfernungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis ^₁ dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (k) ein optisches Filter aufweist, das die Empfindlichkeit des Detektors fur andere Signale als das informationstragende Signal herabsetzt.

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