Die Erfindung geht aus von einem Laserentfernungsmeßgerät, wie es in der nicht vorveröffentlichten
deutschen Patentschrift des Hauptpatents 26 34 627 niedergelegt ist
Es handelt sich hierbei um ein Laserentfernungsmeßgerät nach dem Prinzip der Laufzeitmessung eines
j Lichtimpulses, mit einem Referenzkanal zur Gewinnung des Startsignals und einem Meßkanal zur Gewinnung
des Stopsignals, wobei jeder der Kanäle als Eingangsteil eine Diode mit einem Arbeitswiderstand umfaßt, der
von einem aus einer Spule, der Spenrschichtkapazilät der Diode und einer zusätzlichen, hierzu parallelgeschalteten
externen Kapazität bestehenden Parallelresonanzkreis gebildet ist
Zweck dieser Anordnung ist es, sowohl im Referenzkanal
als auch im Meßkanal eine möglichst exakte, driftfreie zeitliche Korrelation zwischen dem ausgesandten
bzw. nach der Reflexion an dem Körper, dessen Entfernung bestimm werden soll, empfangenen Lichtimpuls
und der zugehörigen die Laufzeitmessung startenden bzw. beendenden zeitsignifikanten Signalflanke
sicherzustellen. Dies wird dadurch in völlig befriedigender Weise erreicht, daß mit Hilfe des in
jedem der beiden Kanäle vorgesehenen Resonanzschwingkreises ein durch den zugehörigen Lichtimpuls
triggerbares Schwingungssignal erzeugt wird, dessen Nulldurchgänge einerseits unabhängig von der Amplitude
des anstoßenden Impulses zu dessen Zeitschwerpunkt einen sehr exakt reproduzierbaren, allein durch
die Eigenresonanzfrequenz des Schwingkreises festgelegten Zeitabstand aufweisen, und andererseits sehr
genau detektiert und zur Erzeugung der entsprechenden zeitsignifikanten Signalflanke verwendet werden
können.
Der der Patentschrift des Hauptpatents 26 34 627 als Stand der Technik zugrundegelegten Druckschrift, NTZ
Band 36 (1973), Heft 9, S. 435-440, ist ein ebenfalls auf dem Prinzip der Laufzeitmessung eines Lichtimpulses
arbeitendes Laserentfernungsmeßgerät entnehmbar, bei dem in einem Referenzkanal ein die Laufzeitmessung
beginnendes, mit dem Aussenden des Lichtimpul-
■:o ses zeitlich korreliertes Startsignal und in einem
Meßkanal ein mit dem Empfang des reflektierten Lichtimpulses zeitlich korreliertes Stopsignal zur
Beendigung der Laufzeitmessung verwendet werden. Dabei wird das Startsignal auf elektrischem Wege von
dem zur Erzeugung des Sende-Lichtimpulses dienenden elektrischen Signal abgeleitet.
Dies ist prinzipiell auch dann möglich, wenn gemäß der Lehre des Hauptpatents 26 34 627 der Referenzkanal
als Eingangsteil den erwähnten Parallelresonanzkreis umfaßt. Allerdings ergibt sich hierbei das Problem,
daß das zur unmittelbaren elektrischen Triggerung des Resonanzkreises dienende Signal zwar mit dem den
Sende-Lichtimpuls erzeugenden bzw. auslösenden elektrischen Signal zeitlich sehr exakt korreliert sein kann,
daß aber der Zeitabstand zwischen diesen Signalen und dem zeitlichen Schwerpunkt des Sende-Lichtimpulses
starken Schwankungen und Drifterscheinungen unterworfen ist, so daß hier eine die Meßgenauigkeit und den
minimalen, noch meßbaren Abstand negativ beeinflussende Zeit-Unbestimmtheit entsteht
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Laserentfernungsmeßgerät der eingangs
genannten Art so weiterzubilden, daß die Meßgenauigkeit noch weiter gesteigert und die kleinsten, meßbaren
Entfernungen noch weiter verringert werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung zusätzlich zu den im Oberbegriff des Anspruches 1
niedergelegten Merkmalen vor, daß auch die Diode des Referenzkanals als Photodiode ausgebildet und für eine
Triggerung ihres Parallelresonanzkreises durch den von der Sender-Lichtquelle ausgesandten Lichtimpuls angeordnet
ist
Auf diese Weise wird es völlig belanglos, ob zwischen dem die Erzeugung des Sende-Lichtimpulses auslösenden
elektrischen Signal und diesem Lichtimpuls eine genaue zeitliche Zuordnung bzw. Korrelation besteht
oder nicht. In jedem Fall wird der Resonanzschwingkreis des Referenzkanals erst dann getriggert, wenn der
Sende-Lichtimpuls erzeugt worden ist und das Laserentfernungsmeßgerät
verläßt Da, wie bereits °rwähnt
die Nulldurchgänge des Ausgangssignals des Resonanzschwingkreises zu dem triggernden Lichtimpuls nur
durch die Eigenresonanzfrequenz des Schwingkreises festgelegte und damit exakt und driftfrei reproduzierbare
zeitliche Abstände besitzen, die überdies bei möglichst gleichartiger Gestaltung der beiden Kanäle,
z. B. durch Verwendung identischer bzw. gepaarter Bauelemente weitgehend an die zeitlichen Abstände
zwischen empfangenem Lichtimpuls und den zugehörigen Nulldurchgängen des Resonanzkreissignales im
Meßkanal angeglichen werden können, wird durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen eine beim Stand der
Technik nicht erreichbare Meßgenauigkeit ermöglicht und überdies die kleinste genau meßbare Entfernung auf
einen Wert herabgesetzt, der praktisch nur noch durch die kleinste meßbare Zeitspanne begrenzt wird.
Da es auch bei identischer Ausbildung vonReferenz- und Meßkanal zu unterschiedlichen Signallaufzeiten in
den beiden Kanälen kommen kann, ist es für die Ausmessung sehr kleiner Entfernungen zweckmäßig,
wie in der Patentschrift des Hauptpatents 26 34 627 beschrieben, im Referenzkanal den ersten Nulldurchgang
und im Meßkanal den zweiten Nulldurchgang des jeweiligen Resonanzkreissignales zu- Erzeugung der
zugehörigen zeitsignifikanten Signalflanke zu verwenden, weil dann auch bei sehr kleinen Entfernungen
sichergestellt ist, daß das Stopsignal der Laufzeitmessung nicht vor dem Startsignal erzeugt wird.
Zwar ist aus »Laser und ihre Anwendungen« von Z. Närany, Leipzig 1976, S. 261 - 271, bekann t, bei einem
nach dem Prinzip der Laufzeitmessung eines Lichtimpulses arbeitenden Laserentfernungsmeßgerät einen
Teil des vom Sender abgegebenen Lichtimpulses mit Hilfe eines halbdurchlässigen Spiegels auszublenden
und durch Umlenkspiegel in einen ersten Empfänger zu lenken, der ein die Horizontalablenkung eines Oszillographen
triggerndes Signal abgibt. Der reflektierte Empfangs-Lichtimpuls wird einem zweiten Empfänger
zugeführt, dessen Ausgangssignal auf dem Oszillographenschirm
dargestellt wird und durch seinen Abstand vom Nullpunkt der Horizontalablenkung ein Maß für
die Entfernung des angepeilten Körpers liefert. Von dieser in der Entgegenhaltung selbst als sehr ungenau
bezeichneten Meßvorrichtung unterscheidet sich der Erfindungsgegenstand schon allein aufgrund der in
seinen beiden Kanälen zur Verwendung kommenden Resonanzschwingkreise so weitgehend, daß sich ein
Patenthindernis hier nicht ergibt
Überdies weist die Ausblendung eines Teils des Sende-Lichtimpulses mit Hilfe von Spiegeln den
Nachteil auf, daß diese Spiegel nicht nur außerordentlich genau justiert werden müssen, um sicherzustellen,
daß der vom Sender abgegebene Lichtimpuls die relativ kleine lichtempfindliche Fläche der Photodiode des
Referenzkanals gut ausleuchtet sondern daß diese ίο Justierung der Spiegel auch über lange Zeiträume
hinweg unverändert aufrechterhalten bleiben muß, weil sich sonst der Laufweg des ausgeblendeten Impulsanteiles
ändert, was zu einer Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit führt
Zur Beseitigung dieses Nachteils ist bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Laserentfernungsmeßgerätes vorgesehen, daß die Photodiode des Referenzkanals für den
Empfang zumindest eines Teils des an der Senderoptik beim Durchtreten des ausgesandten Lichtimpulses
gestreuten Lichtes angeordnet ist
Diese Maßnahme kann nicht zuletzt deswegen realisiert werden, weil der Referenzkanal dadurch, daß
er als Eingangs:eil eine Photodiode mit eine^n als Arbeitswiderstand geschalteten Resonanzschwingkreis
aufweis'., unabhängig von der Amplitude des triggernden Lichtimpulses ein mit diesem Lichtimpuls zeitlich
streng korreliertes zeitsignifikantes Signal abgibt und somit in der Lage ist, den nur eine sehr geringe
Intensität aufweisenden, an der Sendeoptik gestreuten Teil des ausgesandten Lichtimpulses in einwandfreier
Weise zu verarbeiten. Da die Photodiode des Referenzkanals entweder selbst in unmittelbarer Nähe der
Sendeoptik angeordnet werden kann, oder es möglich ist, ihr das an der Sendeopt'k gestreute Licht mit Hilfe
einer Luftleitvorrichtung, beispielsweise einer Lichtleitfaser zuzuführen, entfallen hier sämtliche Justierprobleme
und es können die optischen Weglängen der verschiedenen Lichtimpulsteile auf sehr einfache Weise
aufeinander abgestimmt und mit großer Langzeitkonstanz festgelegt werden.
Wie bereits in der Hauptpatentschrift dargelegt, wird
dadurch, daß im Referenzkanal der erste Nulldurchgang des vom Resonanzschwingkreis abgegebenen Signals
und im Meßkanal der zweite Nulld'irchgans des dortigen Resonanzschwingkreissignales detektiert werden,
sichergestellt, daß auch bei sehr kurzen auszumessenden Entfernungen das die Laufzeitmessung beendende
Signal nicht vor dem diese Zeitmessung startenden so Signal erzeugt werden kann. Damit ergibt sich
zwangsläufig eine Differenz zwischen den Signalverarbeitungszeiten in den beiden Kanälen, die zur
Ermittlung der tatsächlich gemessenen Entfernung berücksichtigt werden muß. Dies könnte z. B. durch eine
einmalige Ermittelung eines den Signal-Laufzeitunterschied zwischen den beiden Kanälen wiedergebenden
Festwertes geschehen, der dann von den jeweiligen Laufzeit-Meßwerten zu subtrahieren bzw. zu diesen
Meßwerten zu addif ren wäre.
Da sich aber der in Rede stehende Laufzeitunterschied in Abhängigkeit von Drift- öder Alterungserscheinungen
ändern kann, ist eine besonder?, btvorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laserentfernungsmeßvorrichtung
dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Parallelresonjnzkreise durch eine Ablaufsteuerung
gleichzeitig elektrisch triggerbar sind und daß ein Speicher zur Speicherung des bei der Entfernungsmessung
durch die optische Triggerung der beiden
Parallelresonanzkreise erhaltenen unkorrigierten Zeitmeßwertes
und ein weiterer Speicher zur Speicherung des bei der elektrischen Triggerung der beiden
Parallelresonanzkreise erhaltenen Null-Zeitmeßwertes sowie eine die Differenz dieser beiden Zeitmeßwerte
bildende und speichernde Rechen- und Speicherschaltung vorgesehen sind.
Da bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Eirigangsteile sowohl des Referenz- als auch des
Meßkanals das vom jeweiligen Resonanzschwingkreis nach einer Triggerung durch einen Lichtimpuls abgegebene
Signal zwar nicht mit der zeitlichen Lage seiner Nulldurchgängc, sehr wohl aber mit seiner maximalen
Amplitude von der Amplitude des triggernden Lichtimpulses abhängt, ist es besonders für den Meßkanal, bei
welchem diese Amplitude innerhalb weiter Grenzen schwanken kann, von Vorteil, daß dem Parallelresonanzkreis
des Meßkanals ein Verstärker mit veränderbarer Verstärkung nachgeschaltet ist und daß ein das
vorgebbaren Referenzspannung vergleichender und bei einem Überschreiten der Referenzspannung durch das
Ausgangssignal des Verstärkers ein Steuersignal abgebender Komparator sowie eine beim Auftreten dieses
Steuersignals den eben genannten Zeitmeßwert unterdrückende Ablaufsteuerung und eine für eine Wiederholung
der Entfernungsmessung den Verstärkungsfaktor des Verstärkers reduzierende Steueranordnung vorgesehen
sind, weil hierdurch einerseits die Anordnung außerordentlich empfindlich zur einwandfreien Auswertung
auch sehr schwacher reflektierter Lichtimpulse eingestellt und gleichzeitig vermieden werden kann, daß
es durch eine Übersteuerung des dem Resonanzschwingkreis des Meßkanals nachgeschalteten Verstärkers
zu einer Beeinträchtigung der strengen zeitlichen Korrelation zwischen dem Lichtimpuls und der die
Laufzeitmessung beendenden zeitsignifikanten Signalflanke kommt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung
beschrieben; in dieser zeigen
Fig. I mit 3 die drei zusammengehörigen Teile eines Blockschaltbildes eines erfindungsgemäßen Laserentfernungsmeßgerätes.
Der Laserimpuls /ι wird von der Sendediode 14 zum
Ziel ausgesandt. Beim Auftreffen auf die Senderlinse 12 wird ein geringer Teil h des Strahles als Streulicht
reflektiert und gelangt über eine Lichtleitfaser oder einen Lichtleitkanal 11 auf die Empfangsdiode 15 des
Referenzkanals II, stößt dort den Schwingkreis 16 an, wobei die nun angefachte Sinusschwingung über einen
Impedanzwandler 18 und einen Verstärker 19 der Sinusnulldurchgangs-Detektionseinrichtung 20 zugeführt
wird und am Ausgang der Detektion eine Signalflanke Sn erzeugt wird. Diese Signalflanke ist mit
einer konstanten zeitlichen Verzögerung behaftet und zeigt an, daß der Laserimpuls soeben die Senderlinse 12
zum Ziel verläßt. Mit dieser Flanke erfolgt daher der Start der Zeitmeßeinrichtung 21 über deren Eingang
21a; gleichzeitig wird die Ablaufsteuerung 22 für »Messen und Eichen« über den Starteingang 22a
gestartet.
Etwas später — entsprechend der Laufzeit des Laserimpulses zum Ziel — trifft der reflektierte
Laserimpuls h durch die Empfangslinse 13 an der Empfangsdiode 23 des Meßkanals I ein, stößt dort —
wie im Referenzkanal Ii das Streulicht — einen Schwingkreis 17 an. Die hierdurch entfachte Sinusschwingung
wird wieder über einen Impedanzwandler 24 einem Verstärker 25 zugeführt, der im Unterschied
zum Referenzkanal in seinem Verstärkungsfaktor in »η-Stufen« umschaltbar ist. Die verstärkte Sinusschwingung
wird ebenfalls der Sinusnulldurchgangs-DetektionseinriehUing
26 zugeführt.
Während im Referenzkanal der erste Sinusnulldurchgang delektiert wird, ist es im Meßkanal der zweite.
Damit ist sichergestellt, daß ein Driften der Kanäle I und
ίο Il gegeneinander niemals da/.u führen kann, daß bei
Entfernung »Null« das zeitsignifikante Signal des Meßkanals vor der zeilsignifikanten Flanke des
Referenzkanals auftritt. Damit ist ein Ausfall des Gerätes im Meßbetrieb unmöglich gemacht.
π Die von der Sinusnulldurchgangs-Detektionseinrichtung
26 des Meßkanals erzeugte zeitsignifikante Signalflanke Sr; wird nun dem Stop-Eingang 2\b der
Zeitmeßeinrichtung 21 zugeführt. Kurz darauf erzeugt diese dann das Signal »Messen beendet« und taktet die
-.η Λ l^lrmtc·* i\nnrttr%tv ΊΊ ■ im o'lnDn C*-»K f!l t iiioilar x*i st/4t tft*Y>
diese über ihren Ausgang 51 das Speichern des Ergebnisses bei der vorbeschriebenen Zeitmessung·in
den Speicher 27 für den unkorrigierten Zeit-Meßwert ausgelöst wird. Unkorrigiert deshalb, weil die zeitsignifikanten
Signalflanken Sf ι und Sf2 eine dem Referenz-
und Meßkanal eigene unterschiedliche zeitliche Verzögerung aufweisen, wobei letztere vorwiegend auf der
unterschiedlichen Sinusnulldurchgangsdetektion (im Referer; '.kanal erster Sinusnulldurchgang und im MeB-kanal
zweiter Durchgang) beruht.
Unmittelbar darauf erfolgt das Signal »Speichern beendet« und löst über den Takteingang 22b der
Ablaufsteuerung 22 deren Weiierschalten auf den Ausgang S2 aus. Damit werden die beiden Empfangs-Schwingkreise
16 und 17 gleichzeitig elektrisch angestoßen und wieder zeitsignifikante Signalflanken — wie
vorher beschrieben — erhalten. Dieselbe Zeitmeßeinrichtung 21 wird wie beim optischen Anstoß gestartet
bzw. gestoppt. Das Signal »Messen beendet« schaltet über den Takteingang 22b die Ablaufsteuerung 22 auf
den Ausgang 53 weiter, welcher veranlaßt, daß das Ergebnis dieser Zeitmessung in den Speicher 28 für den
Null-Zeitmeßwert übernommen wird. Damit enthält dieser Speicher 28 den der unterschiedlichen Laufzeit
zwischen Referenz- und Meßkanal entsprechenden Wert.
Nun muß also nur mehr dieser Wert von dem unkorrigierten Zeit-Meßwert abgezogen werden, um
den der Entfernung entsprechenden wahren Meßwert zu erhalten. Zu diesem Zweck setzt das vom Speicher 23
für Null-Zeitmeßwert kommende Signal »Speichern beendet« die Ablaufsteuerung 22 um einen Schritt
weiter, so daß an ihrem Ausgang S4 ein Signal erscheint.
Dieses Signal veranlaßt die oben beschriebene Differenzbildung sowie das Abspeichern dieser Differenz
durch die Rechen- und Speicherschaltung 29, womit an deren Ausgang der wahre Meßwert ansteht.
Dieser kann gegebenenfalls in einer Einrichtung 30 angezeigt oder zu Steuerungszwecken etc. herangezogen
werden.
Durch die unmittelbare Folge des gleichzeitigen elektrischen Anstoßes der Schwingkreise 16 und 17 im
Referenz- und Meßkanal, was der Entfernung »Null« entspricht, unmittelbar nach der eigentlichen Messung
und der darauffolgenden Differenzbildung der Zeitmeßwerte, von denen der erste auf optischem Wege und der
zweite auf elektrischem Wege gewonnen wurde, wird die Elimination unterschiedlichen Driftens und Alterns
der beiden Kanäle I und Il und der /.eitmeüeinrichtimj:
21 ermöglicht.
In Weilerfolge des funktionsvorganges löst das von
der Rechen- und Speicherschaltung 29 kommende Signal »Speichern beendet« über den Takleingang 22i>
, der Ablaufsteuerung 22 deren Weiterschalten auf den Ausgang S\ aus. welcher die Eichung der Zeitmeßeinricii'.jng
21 über deren Eingang 21c veranlaßt. Nach Beendigung dieses Vorganges erzeugt die Zeitmeßeinrichtung
21 das Signal »Eichen beendet« und setzt die ;n Ablaufsteuerung 22 auf »Null« zuifick. und der
vorbeschriebenc Ablauf wiederholt sich beim Eintreffen des nächsten I.aserimpulses.
Gleichzeitig mit der Ablaufsteuerung 22 wird ein Zähler 31, der bis »n« zählt, zurückgesetzt. Dieser
Zähler 31 dient der Umschaltung des Verstärkungsfaktors für den Verstärker 25 im Meßkanal I. Zusammen
mit '*inem Komparator 32. der an den Ausgang des Veisia'ikeis 23 augeschlossen ist, hat er den Zweck, eine
Übersteuerung des Verstärkers bei stark reflektieren- _·ι, den Zielen zu vermeiden, Hierzu wird die Amplitude der
angefachten und verstärkten Sinusschwingung im Meßkanal mit einer Referenzspannung Urhf am
Komparator 32 verglichen. Diese Referenzspannung ist so gewählt, daß eine gleich große, aber um den Faktor
der eingestellten Verstärkung verminderte Amplitude der angefachten Sinusschwingung den Verstärker 25 im
Meßkanal nicht übersteuert und damit sicherstellt, daß die Messung im linearen Bereich des Verstärkers
erfolgt.
Überschreitet die Amplitude des Sinussignals jedoch den eingestellten Wert der Referenzspannung, so
schaltet der Komparator 32 den Zähler 31 um eine Stufe weiter, gleichzeitig wird der vorher beschriebene Start
der Ablaufsteuerung 22 für »Messen und Eichen« wieder zurückgenommen, und es erfolgt keine Meßwertspeicherung,
während jedoch der alte vorhergehende Meßwert erhalten bleibt. Beim nächsten Eintreffen
eines Laserimpulses wiederholt sich dieser Vorgang und damit die Heruntcrschaltung des Verstärkungsfaktors
im Meßkanalverstärkcr 25. bis die empfangene
Sinusampütucie am Komparator si die eingestellte Referenzspannung nicht mehr erreicht bzw. nicht mehr
überschreitet. Erst nach dieser Kontrolle kann der nächste wahre Meßwert, wie vorbeschrieben erläutert,
erhalten werden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen