DE2745565C2

DE2745565C2 - Koaxiale Sende- und Empfangsoptik eines elektrooptischen Entfernungsmessers

Info

Publication number: DE2745565C2
Application number: DE2745565A
Authority: DE
Inventors: Josef Altstätten Eisenring; Klaus Dr. Heerbrugg Hildebrand; Jakob Balgach Tanner
Original assignee: Wild Heerbrugg AG
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 1976-12-03
Filing date: 1977-10-11
Publication date: 1982-11-25
Also published as: DE2745565A1; US4165936A; CH606991A5; ZA777120B

Description

— die koaxile Sende- und Empfangsoptik (Objektive 7, 10) und das Zielfernrohr (21) mit ungebrochenem Strahlengang haben die gleiche optische Achse;

— ein Strahlenumlenker (Prisma (5), der den von einer Infrarot-Strahlung emittierenden Strahlungsquelle (1) kommenden Sendestrahl in die optische Achse lenkt, ist im Bereich des Ortes angeordnet, an welchem eine Zwischenabbildung de»- Strahlungsquelle (1) vorhanden ist;

— ein mindestens näherungsweise senkrecht zur gemeinsamen optischen Achse stehendes, infrarotes Licht reflektierendes, dielektrisches Schichtensystem (6) ist derart angeordnet, daß der vom Strahlenumlenker (5) herkommende Sendestrahl das Schichteas^stem nahezu senkrecht trifft;

— das dielektrische Schichtensystem (6) ist für das sichtbare Licht durchlässig.

2. Koaxiale Sende- und Empfangsoptik nach Anspruch I₁ dadurch gel.ennzei 'inet, daß zwischen der Strahlungsquelle (1) a"d dem Strahlenumlenker (5) Zwischenabbildungsobjektive -'2, 3) vorgesehen sind, die im Bereich der Brennebene des Sendeobjektives (7) ein Zwischenbild (4) der Leuchtquelle (1) erzeugen.

3. Koaxiale Sende- und Empfangsoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsoptik als ringförmiges Objektiv (10) ausgebildet ist, das als Linsen- oder Spiegelsystem konstruiert ist

4. Koaxiale Sende- und Empfangsoptik nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das vom entfernten Reflektor reflektierte Empfangsstrahlenbündel (9) über die als dioptrisches oder katadioptrisches, ringförmiges Objektiv (10) ausgebildete Empfangsoptik auf einen schräg zu der optischen Achse der Empfangsoptik stehenden metallischen Oberflächenspiegel (11) geworfen und von diesem Oberflächenspiegel zu einem Empfänger (12) zur nachfolgenden elektronischen Entfernungs-Auswertung geführt wird.

5. Koaxiale Sende- und Empfangsoptik nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenspiegel (11) als Ring ausgebildet ist, so daß der vom Schichtensystem (6) reflektierte Sendestrahl ungehindert durch die Öffnung des ringförmigen Oberflächenspiegels (11) auf das Sendeobjektiv (7) gelangt und der Strahlengang des Zielfernrohres (21) diese Öffnung ohne Beschneidung passiert.

Die Erfindung betrifft eine koaxiale Sende- und Empfangsoptik eines elektrooptischen Entfernungsmessers zum Senden und Empfangen eines modulierten Lichtstrahlbündels für die Entfernungsbestimmung zu einem entfernten Reflektor mit einem integrierten Zielfernrohr zum Visieren dieses Reflektors oder eines anderen Ziels.

Es sind spezielle Theodolite, sogenannte Tachymeter, bekannt, mit denen gleichzeitig Richtungen und Distanzen mit hoher Genauigkeit gemessen werden können. Üblicherweise erfolgt dabei die Richtunpsmessung durch Ablesen von Teilkreisen und die Distanzmessung mittels einer Strichplattenskala im Fernrohr und einer auf dem Zielpunkt aufgestellten Meßlatte. Für die Distanzmessung sind seit einiger Zeit elektrooptische Distanzmesser bekannt, welche auf dem Prinzip

'S der Phasenmessung oder der Laufzeitmessung beruhen, und die einen Sender mit einer Senderoptik sowie einen Empfänger mit einer Empfangsoptik enthalten. Es ist naheliegend, solche Geräte mit einem Theodoliten zu kombinieren. Diese bekannte Kombination enthält dann die Sende- und Empfangsoptik des Distanzmessers sowie ein Zielfernrohr. Aus Gründen des technischen Aufwandes, der Gewichtseinsparung und der gegenseitigen Justierung der verschiedenen optischen Teilsysteme ist es zweckmäßig, Sende- und Empfangsoptik als Koaxialsystem mit in diesem integrierten Zielfernrohr auszubilden.

Bekannt ist aus der DD-PS 64 321 ein elektrooptischer Entfernungsmesser, bei dem, wie bei einem Koaxialsystem der bekannten Art erforderlich, eine Strahlengangteilung für die Distanzmessung und das Zielfernrohr durchgeführt wird. Ein schräg zur optischen Achse stehendes Prisma ist vorgesehen, dessen Hypothenusenfläche völlig verspiegelt und dessen eine Kathetenfläche selektiv verspiegelt ist, und zwar so, daß der Sendestrahl mit unsichtbarem, infrarotem Licht die verspiegelte Kathetenfläche senkrecht trifft und dort reflektiert wird. Sichtbares Licht kann ungehindert hindurchtreten. Eine Zwischenabbildung im Sendestrahlengang ist nicht vorgesehen. Die Lichtquellen für infrarotes und für sichtbares Licht siud nicht vertauschbar, da die Schicht der Kathetenfläche selektiv infrarotes Licht reflektiert und sichtbares Licht durchläßt Es ergibt sich auch keine Zwischenabbildung im Sendestrahlengang. Das austretende Licht ist ein paralleles Bündel, wobei die vorhandenen Linsen (Bezugszahlen 1 und 2) innerhalb dieses Bündels durch das Prisma abgedeckt sind. Für den Sendestrahlengang sind sie wirkungslos. Die Linse mit der Bezugszahl 3 ist kein dielektrisches Spiegelsystem, sondern ein sphärischer Spiegel mit Korrektur der sphärischen Aberration (sogenannter Mangin-Spiegel). Diesem optischen System haften Mängel an, die durch die Brechung des Lichtweges im Zielfernrohr bedingt sind. Durch den nichtparallelen Strahlengang können astigmatische Fehler, die optisch nur mit großen Aufwand kompensiert werden können, entstehen.

Es stellt sich demnach die Aufgabe, für einen elektrooptischen Entfernungsmesser eine Sende- und Empfangsoptik anzugeben, bei der optische Fehlermöglichkeiten weitgehend unterdrückt und bei dem Meßfehler des infraroten Lichtmeßsystems aufgrund des Strahlendurchganges durch verspiegelte Teilerflächen ebenfalls weitgehend minimalisiert werden.

Die Aufgabenlösung geschieht durch die Merkmale, die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführt sind

Die die Erfindung ausmachende. Kombination der einzelnen Bauelemente hat mehrere Vorteile, von denen

zwei in der besonderen Anordnung des Strahlenumlenkers liegen. Er gestattet einerseits, im Gegensatz zur Strahlteilung 3. B. mit einer schräg zur optischen Achse stehenden Planplatte oder einem Teilerwürfel die Verwendung von technisch realisierbaren selektiv reflektierenden, einseitig gegen Luft wirkenden dielektrischen Schichtensystemen mit der for eiektrocptisThe Distanzmesser erforderlichen sehr geringen spektralen Welligkeit des Refiektionsgrades, ohne daß andererseits durch das Substrat für das dielektrische Schichtensy- ι ο stem, wie ζ. B. cine planparallele Glasplatte, astigmatische Fihtef in einem Teil des optischen Systems erzeugt werden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die entsprechend der besonderen Ausgestaltung der koaxialen Sende- und Empfangsoptik vorzusehende Ablen- is kung aus der optischen Achse desjenigen Sende- und Empfangsstrahls, der nicht am senkrecht zur optischen Achse stehenden Strahlenumlenker reflektiert worden ist, vorzugsweise durch bekannte nichtselektive, praktisch keine spektrale Welligkeit des Reflektionsgrades aufweisende Reflektoren, wie z.B. metallbedampfte Oberflächenspiegel, erfolgen kann. Außerdem gestattet es die koaxiale Sende- und Empfangsoptik, daß die optische Achse des integrierten Zielfernrohres ohne weiteres durchgehend geradlinig ausgebildet werden kann.

Im Zusammenhang mit Aufgabe und Lösung gemäß Erfindung sind noch folgende Schriften, die zum Stande der Technik gehören, bedeutungsvoll:

DE-AS 12 84 637 zeigt eine »Anordnung zur elek- -O trooptischen Streckenmessung«, die jedoch kein Zielfernrohr besitzt, das in das optische System integriert ist. Das Ablenkmittel (S bzw. St, S₂) liegt im Strahlengang und besitzt nicht die minimale Größe. Die Zwischenabbildung liegt nicht im Brennpunkt der Sendeoptik.

CH-PS 4 68 623 offenbart ebenso wie DE-AS 12 84 637 ein paralleles Lichtbündel ohne Zwischenabbildung, da die Lichtquellen 5 oder 13 im Brennpunkt des abbildenden Spiegels liegen. Die zugehörigen Linsen sind durch das Prisma abgedeckt und arbeiten nicht im Sendestrahlengang. Der Strahlengang des Zielfernrohres ist gebrochen.

Schließlich ist aus der DE-AS 20 37 583 ein Cassegrain-System bekannt, bei dem eine versilberte Prismenfläche in den Strahlengang gestellt ist und als Trennelement wirkt Auch hier liegt der Spiegel nicht im Strahlengang der koaxialen Optik, so daß das bekannte System die vorstehend beschriebenen Nachteile besitzt

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Strahlungsquelle 1 emittiert infrarote Strahlung. Solche Strahlungsquellen sind allgemein bekannt. Ein von der Strahlungsquelle 1 ausgehender Sendestrahl wird über die Zwischenabbildungsobjektive 2,3 geführt, so daß ein Zwischenbild 4 der Strahlungsquelle 1 entsteht. Im Bereich dieses Zwischenbilds 4 ist der Strahlenumlenker, der in diesem Ausführungsbeispiel als Prisma 5 ausgebildet ist, angeordnet. Das Prisma 5 ist im Schnittpunkt der optischen Achsen des Zwischenabbildungsobjektivs 3 und des Sendeobjektivs 7 angeordnet. Der Sendestrah! wird durch das Prisma 5 auf ein senkrecht zur optischen Achse des Sendeobjektivs 7 stehendes, dielektrisches Schichtensystem 6 gebracht. Dies Schichtensystem 6, welches einseitig einen aus Luft oder Vakuum kommenden Strahl infraroten Lichtes reflektiert, besteht aus einer bestimmten Anzahl von dünnen, dielektrischen Schichten, die nacheinander auf eine plan-parallele Glasplatte aufgedampft sind. Die Stärke dieser Schichten Hegt im Bereich von Bruchteilen der Wellenlänge des verwendeten infrarote!·. Sendestrahls. Es kann z. B. ein ak WärrnescH'tzfiJter bekanntes dielektrisches Schienteniyaieni, bestehend ;?·»·; abwechselnd nacheinander aufgedampften hoch- und niederbrechenden, dünnen dielektrischen Schichten, ~ 3. riss Oxiden des Titans und des Siliciums, g^näß dem bekannten Stand der Technik verwendet werden. In beiden Fällen ist die spektrale Welligkeit des Reflektionsgrades des Sendestrahls sehr gering. Sie beträgt im vorliegenden Fall höchstens 1 %.

Der vom Prisma 5 auf das dielektrische Schichiuiisystem 6 treffende Sendestrahl wird also mit einer sehr geringen Welligkeit auf das Sendeobjektiv 7 reflektiert In der Brennebene des Sendeobjektivs 7 wird das Zwischenbild 4 der Strahlenquelle 1 abgebildet Ein Sendestrahlenbündel 8 verläßt das Sendeobjektiv 7 und wird auf einen entfernten Reflektor, der nicht dargestellt ist, geleitet Das vom Reflektor kommende Empfangsstrahlenbündel 9 wird von einem zum Sendeobjehtiv 7 koaxial angeordneten Ringobjektiv 10 aufgefangen. Im Ausführungsbeisp·".? ist das empfangende Ringobjektiv 10, d.h. die Einpiangsoptik ais Linsensystem dargestellt welches eine zentrale Bohrung für die Fassung des Sendeobjektivs 7 aufweist Vorzugsweise handelt es sich bei dem Objektiv 10 über ein dio.Ttrisches oder katadioptrisches Ringobjektiv. Selbstverständlich kann die Empfangsoptik auch als Spiegelsystem ausgeführt sein. Wesentlich ist hierbei die koaxiale Anordnung zwischen der Empfangs- und Sendeoptik, hier gegeben durch die Objektive 7,10. Das Empfangsstrahlenbündel 9 wird durch das ringförmige Empfangsobjektiv 10 auf einen schräg zur optischen Achse des koaxialen Objektivs 7 stehenden, metallischen Oberflächenspiegel 11 geworfen. Dieser metallische Oberflächenspiegel ist als Ring ausgebildet d. h. er besitzt eine Randzone, welche als Spiegelfläche ausgebildet ist und eine große mittlere öffnung, durch welche der Sendestrahl, das Sendestrahlenbündel 8 und das visuelle Strahlenbündel für ein Zielfernrohr 21 ungehindert und ohne Beschneidung durchgehen können. Das Empfangsstrahlenbündel 9 wird also an der versiegelten Randfläche des Oberflächenspiegels 11 auf einen Empfänger 12 geworfen. Dieser Empfänger

12, welcher allgemein bekannt ist gibt die im Empfangsstrahlenbündel 9 enthaltene Information weiter an einen nachgeordneten, elektronischen Auswerteschaltkreis, der die Entfernung bestimmt.

Für die Eichung des Entfernungsmessers ist eine interne Eichstrecke zwischen der Strahlungsquelle 1 und dem Empfänger 12 angeordnet. Wenn die Eichstrecke benutzt werden soll, so wird ein Kippspiegel 13 in seine gestrichelte Position gekippt. Hierdurch gelangt der Sendestrahl von der Strahlungsquelle 1 über die Zwisc'seüabbildungsoptik, bestehend aus Kippspiegel

13, Prisma 14, einem Zwischenabbiidungsobjektiv 15 auf den Empfänger 12 zur nachfolgenden elektronischen Auswertung.

In die bisher beschriebene koaxiale Sende- und Empfangsoptik ist das Zielfernrohr 21 derart integriert, daß die optische Achse des Koaxialsystems mit der des Zislfernrohts 21 zusammenfällt, Dieses integrierte Zielfernrohr 21 besteht in bekannter Weise aus dem mit der Sende- und Empfangsoptil: gemeinsamen Objektiv 7 und in nachfolgender Reihenfolge aus einer Fokussierlinse Ifi, einem Aui'riditeprisma 17, einer Strich;lattc 18 und einem Okular 19. Das strahlenumlenkende Pn^na 5, welches den Sendestrah! auf das dielektrische S

tensystem 6 umlenkt, ist so angeordnet, daß es sich in der gemeinsamen optischen Achse des Entfernungsmessers und des Zielfernrohres 21 befindet. Dies führt zu einer teilweisen Abschattung der Eintrittspupille des Zielfernrohres. Wegen des günstigen Standortes des Prismas 5 im Sendestrahl und Sendestrahlenbündel 8 und durch entsprechende räumliche Maße des Prismas 5 einschließlich seiner Halterung, tritt keine Beeinträchtigung der Funktion des Instrumentes auf. Das Prisma 5 kann wegen der Zwischenabbildung des Sendestrahlengangs mit kleinen räumlichen Abmessungen hergestellt werden, wobei es seine gewünschte Aufgabe in vollem Umfang erfüllt und praktisch keine Abschaltung der Eintrittspupille des Zielfernrohres bringt.

Distanzmesser und Zielfernrohr sind zu der in der Zeichnung dargestellten, gemeinsamen Einheit zusammengefügt. Diese Einheit ist schwenk- bzw. kippbar und in einer Stütze 20 eines kombinierten Winkel-Entfernungs-Meßgerätes gelagert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Koaxiale Sende- und Empfangsoptik eines elektrooptischen Entfernungsmessers zum Senden und Empfangen eines modulierten infraroten Lichtstrahlbündels für die Entfernungsbestimmung zu einem entfernten Reflektor mit einem integrierten Zielfernrohr zum Visieren dieses Reflektors oder eines anderen Ziels, gekennzeichnet durch folgende Anordnung: