DE2813591B2 - Opto-elektronisches EntfernungsmeSgerat mit in eine Empfangs-Linsenoptiköffnung eingesetztem Sende-Linsenoptik-Tubus - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein opto-elektronisches Entfernungsmeßgerät der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Bei einem aus der DE-AS 20 54 973 bekannten Entfernungsmeßgerät dieser Art ist die Sende-Linsenoptik in einer Mittelöffnung der Empfangs-Linsenoptik angebracht, welche die Sende-Linsenoptik ringförmig umgibt. Die optischen Achsen der Sende-Linsenoptik und der Empfangs-Linsenoptik fallen also zusammen, so daß keine Parallaxe besteht, die sich beispielsweise bei der Messung sehr kurzer Entfernungen nachteilig auswirken würde. Die Lichtquelle und der Lichtempfänger sind nicht auf dieser gemeinsamen optischen Achse angeordnet, sondern seitlich neben den Sende- und Empfangs-Linsenoptiken; die Lichtstrahlen werden mittels zusätzlicher Reflektoren entsprechend umgelenkt. Dadurch ergibt sich ein zusätzlicher Aufwand und Raumbedarf.

Einen ähnlichen Aufbau hat ein aus der DE-OS 02 010 bekanntes opto-elektronisches Entfernungsmeßgerät, bei welchem der die Sende-Lichtstrahlen führende Tubus durch eine zur optischen Achse der Empfangs-Linsenoptik koaxiale Öffnung geführt ist Zwar liegt in diesem Fall der Lichtempfänger auf der optischen Achse der Empfangs-Linsenoptik, die Lichtquelle ist jedoch wiederum seitlich neben der Empfangs-Linsenoptik angeordnet und der Tubus ist abgewinkelt und enthält einen Umlenkspiegel für die Sende-Lichtstrahlen. Auch in diesem Fall ergibt sich ein zusätzlicher seitlicher Raumbedarf, und vor allem verursacht der abgewinkelte Tubus eine erhebliche Abschattung des

to Empfangs-Strahlengangs.

Der Nachteil des seitlichen Raumbedarfs wird bei einem aus der US-PS 36 52 160 bekannten opto-elektronischen Entfernungsmeßgerät vermieden, bei welchem wiederum die Sendeoptik und die Empfangsoptik koaxial angeordnet sind und sowohl die Lichtquelle als auch der Lichtempfänger auf der gemeinsamen optischen Achse liegen. Dies wird dadurch erreicht, daß nur die Empfangsoptik als Linsenoptik ausgebildet ist, wogegen die Sendeoptik eine Spiegeloptik ist die durch einen in der Mittelöffnung der Empfangs-Linsenoptik angeordneten Hohlspiegel gebildet ist. Die Lichtquelle liegt demzufolge vor dem Hohlspiegel, während der Lichtempönger hinter dem Hohlspiegel liegt Die Verwendung einer Spiegeloptik erfordert aber einen

größeren Öffnungsquerschnitt als eine Linsenoptik, so daß ein entsprechend größerer Teil des Öffnungsquerschnitts der Empfangs-Linsenoptik abgeschattet wird. Auch gibt es Anwendungsfälle, in denen es nicht erwünscht ist, mit einer vor der Optik liegenden Lichtquelle zu arbeiten.

Den umgekehrten Aufbau hat ein aus der DE-AS 20 37 583 bekanntes optoelektronisches Entfernungsmeßgerät, bei welchem die Sendeoptik eine Linsenoptik ist, während die Empfangsoptik als Spiegeloptik ausgebildet ist, die einen ringförmigen Hohlspiegel aufweist, der koaxial zur optischen Achse der Sende-Linsenoptik, aber in beträchtlichem Abstand hinter dieser angeordnet ist und die rings um den die Sende-Linsenoptik enthaltenden Tubus vorbeigehenden Empfangslichtstrahlen auffängt. Zur Verkürzung der durch diese Bauweise bedingten erheblichen axialen Baulänge ist die Lichtquelle wieder seitlich neben den Sende- und Empfangsoptiken angeordnet, wobei am Tubus ein Umlenkprisma zur Umlenkung der Sendelichtstrahlen angeordnet ist.

Schließlich ist in der US-PS 30 20 792 ein opto-elektronisches Entfernungsmeßgerät beschrieben, bei welchem sowohl die Sendeoptik als auch die Empfangsoptik als Spiegeloptik mit gemeinsamer optischer Achse ausgebildet sind, wobei sowohl die Lichtquelle als auch der Lichtempfänger auf der gemeinsamen optischen Achse liegen. Zu diesem Zweck sind zwei Hohlspiegel koaxial in solchem Abstand voneinander angeordnet, daß der Brennpunkt des hinteren, als Sendeoptik dienenden Hohlspiegels noch hinter dem vorderen, als Empfangsoptik dienenden Hohlspiegel liegt; in diesem Brennpunkt ist die Lichtquelle angeordnet, während der Lichtempfänger vor dem vorderen Hohlspiegel in dessen Brennpunkt liegt. Der vordere Hohlspiegel ist mit einem konzentrisch zu seiner optischen Achse liegenden ringförmigen lichtdurchlässigen Fenster versehen, das den Durchgang der vom hinteren Hohlspiegel reflektierten Sendelichtstrahlen ermöglicht. Die Baulänge dieses Geräts ist größer als die Summe der

b5 Brennweiten der beiden optischen Systeme; ferner ist es für viele Anwendungsfälle unerwünscht, daß der Lichtempfänger vor den Sende- und Empfangsoptiken angeordnet ist.

Es sind andererseits, beispielsweise aus der DE-OS 25 36 910, opto-elektronische Entfernungsmeßgeräte bekannt, bei denen sowohl die Sendeoptik als auch die Empfangsoptik als Linsenoptik ausgebildet und parallel nebeneinander angeordnet sind. Dadurch kann die Lichtquelle auf der optischen Achse der Sende-Linsenoptik in deren Brennpunkt angeordnet sein, und die optische Achse der Empfangsoptik bleibt vollkommen frei, was dort für eine direkte Beobachtung ausgenutzt wird, aber auch die Anordnung eines Lichtempfängers auf der optischen Achse gestatten würde. Die Baulänge ist kurz, weil sie nur durch die längere der Brennweiten der beiden Optiken bedingt ist Dafür besteht aber in seitlicher Richtung ein beträchtlicher Raumbedarf. Vor allem aber ist die Parallaxe, d. h. der Abstand zwischen den optischen Achsen der Sendeoptik und der Empfangsoptik, beträchtlich groß; dieser Abstand ist wenigstens gleich der Summe der Außenradien der Sendeoptik und der Empfangsoptik. Infolge dieser Parallaxe ist die Messung sehr kurzer Entfernungen nicht möglich, weil der notwendige Mindestabstand zur Reflexionsfläche durch den mechanisch bedingten Abstand zwischen der Sendeoptik und der Empfangsoptik bestimmt ist Ferner ist es nicht möglich, den Abstand zu spiegelnden Reflexionsflächen zu messen, wie sie beispielsweise bei der Füllstandsmessung von Flüssigkeiten vorliegen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines opto-elektronischen Entfernungsmeßgeräts von einfachem und kompaktem Aufbau und mit geringer Parallaxe, bei dem sowohl die Sendeoptik als auch die Empfangsoptik als Linsenoptik ausgebildet sind, Lichtquelle und Lichtempfänger jeweils auf der optischen Achse der zugeordneten Optik angeordnet sein können und optisch einwandfrei voneinander entkoppelt sind und infolge geringer Abschattung der Empfangsoptik eine gute Empfangsempfindlichkeit erzielt wird.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dem opto-elektronischen Entfernungsmeßgerät nach der Erfindung bleibt der Vorteil der bekannten Geräte mit koaxialer Sende- und Empfangsoptik erhalten, daß die gesamte Sende-Linsenoptik innerhalb des Öffnungsquerschnitts der Empfangs-Linsenoptik liegt, so daß diese den gesamten verfügbaren Gehäusequerschnitt ausfüllen kann und dementsprechend eine gute Empfangsempfindlichkeit gewährleistet ist. Infolge der exzentrischen Lage der Sende-Linsenoptik mit dem angegebenen Mindestabstand der optischen Achsen bleibt aber die optische Achse der Empfangs-Linsenoptik völlig frei, so daß sowohl die Lichtquelle als auch der Lichtempfänger jeweils auf der optischen Achse der zugehörigen Optik angeordnet werden können, ohne sich gegenseitig zu stören. Insbesondere liegt auch der Tubus, der eine vollkommene optische Entkopplung zwischen Sendeteil und Empfangsteil ermöglicht, vollkommen außerhalb der optischen Achse der Empfangs-Linsenoptik. Der Raumbedarf ist gering, denn in seitlicher Richtung liegen alle Teile innerhalb des Öffnungsquerschnitts der Empfangs-Linsenoptik, und die Baulänge ist durch die längere Brennweite der beiden Optiken bedingt. Die Brennweiten können entsprechend den gewünschten optischen Eigenschaften beliebig gewählt werden, also auch gleich groß, da es ohne weiteres möglich ist, Lichtquelle und Lichtempfänger auf gleicher Höhe anzuordnen. Der Aufbau ist sehr einfach, weil zusätzliche Reflektoren und Umlenkglieder entfallen.

Die Parallaxe ist gering und sie spielt vor allem fur die Messung kurzer Entfernungen keine Rolle, weil die Sendeoptik ringsum von einem wirksamen Teil der Empfangsoptik umgeben ist Dadurch ist sowohl die Messung extrem kurzer Entfernungen als auch eine Entfernungsmessung bei spiegelnden Reflexionsflächen möglich. Das Entfernungsmeßgerät eignet sich deshalb besonders vorteilhaft für die Füllstandsmessung.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt Es zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform der Sende- und Empfangsoptik eines opto-elektronischen Entfernungsmettgeräts nach der Erfindung und

F i g. 2 eine Abänderung der Sende- und Empfangsoptik von Fig. 1.

F i g. 1 der Zeichnung zeigt die Sende- und Empfangsoptik eines opto-elekironischen Entfernungsmeßgeräts, dessen Lichtquelle bei dem dargestellten Beispiel durch eine Laserdiode 1 gebildet ist Die Laserdiode I ist in einem Tubus 2 nahe dessen durch eine Stirnwand 3 verschlossenen hinteren Ende angeordnet und über elektrische Verbindungsleiter 4, 5, die durch die Stirnwand 3 nach außen geführt sind, mit einem nicht dargestellten elektrischen Impulsgenerator verbunden, der die Erzeugung kurzer Lichtimpulse durch die Laserdiode 1 auslöst Im Innern des Tubus 2 ist ferner eine Sendeoptik 6 angeordnet, die aus einer oder mehreren Linsen bestehen kann und deren optische Achse X mit der Achse des Tubus 2 zusammenfällt. Die Sendeoptik 6 wandek die von der Laserdiode erzeugten divergenten Lichtstrahlen in ein paralleles oder annähernd paralleles Lichtbündel 7 um, das durch das vordere Ende des Tubus 2 zu einem nicht dargestellten Zielobjekt hin abgestrahlt wird, dessen Entfernung gemessen werden soll. Das vordere Ende des Tubus 2 kann offen oder mit einer lichtdurchlässigen Schutzscheibe 8 verschlossen sein.

Ein am Zielobjekt reflektierter Bruchteil der Lichtenergie des Sendelichtbündels 7 wird in Form eines im wesentlichen parallelen Empfangslichtbündels 9 von einer Empfangsoptik 10 aufgefangen, die ebenfalls aus einer oder aus mehreren Linsen bestehen kann. Die Empfangsoptik 10 fokussiert das Empfangslichtbündel auf einen Photodetektor 11, der die empfangenen Lichtimpulse in elektrische Impulse umwandelt und über Verbindungsleiter 12, 13 mit einer nicht dargestellten elektronischen Schaltung verbunden ist. Die elektronische Schaltung ermittelt die Entfernung des Zielobjekts beispielsweise durch Messung des Zeitabstands zwischen einander entsprechenden Impulsflanken der Sendeimpulse und der Empfangsimpulse. Zur Unterdrückung von Störlichteinflüssen kann zwischen der Empfangsoptik 10 und dem Photodetektor 11 ein Lichtfilter 14 angeordnet sein, das auf die Wellenlänge des von der Laserdiode 1 abgestrahlten Lichtes abgestimmt ist. Vorzugsweise erzeugt die Laserdiode 1 Infrarotlicht, und das Filter 14 ist dann ein Infrarotfilter.

Die Empfangsoptik 10 besteht bei dem dargestellten Beispiel aus zwei Linsen 15, 16 , und in jeder Linse ist exzentrisch zu der optischen Achse Vder Empfangsoptik *.O eine kreisrunde öffnung 17 bzw. 18 angebracht, deren Durchmesser dem Außendurchmesser D des Tubus 2 entspricht. Der Tubus 2 ist derart in die öffnungen 17 bzw. 18 eingesetzt, daß sein vorderes Ende bzw. die darin angebrachte Schutzscheibe 8 mit

der Vorderfläche der Linse 15 abschließt. Die Öffnungen 17,18 sind so angebracht, daß der Abstand A zwischen den optischen Achsen Λ und Vder Sendeoptik 6 bzw. der Empfangsoptik 10 größer als der halbe Außendurchmesser D des Tubus 2 ist, so daß der Querschnitt des Tubus 2 die optische Achse V nicht enthält.

Um eine vollständige optische Entkopplung zwischen dem Sendeteil 1, 2, 6 und dem Empfangsteil 10, 11 zu gewährleisten, ist der Tubus 2 vollkommen lichtundurchlässig. Eine kostspielige Entspiegelung der Grenzflächen der Linsen der Empfangsoptik zur Vermeidung von Mehrfachreflexionen wird dadurch überflüssig. Vorzugsweise ist die ganze Innenfläche des Tubus 2 mit einer reflexionsfreien Schicht 19 bedeckt, damit Interferenzen durch Reflexionen an den Innenflächen des Tubus vermieden werden, welche die Homogenität der Intensitätsverteilung stören können.

Durch eine Unterbrechung ist angedeutet, daß der Tubus 2 beliebig lang sein kann, so daß die Lichtquelle 1 nach Belieben auch weiter vorn oder weiter hinten als der Photodetektor 11 angeordnet werden kann, anstatt auf gleicher Höhe mit diesem.

Fig.2 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, wobei die gleichen Teile wie in F i g. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und nicht nochmals beschrieben werden. Der wesentliche Unterschied gegenüber der Ausführungsform von F i g. 1 besteht darin, daß der Tubus 2' derart verkürzt ist, daß seine

■> hintere Stirnwand 3' mit der Hinterfläche der Linse 16 der Empfangsoptik 10 abschließt. Die Lichtquelle 1 und die Sendeoptik 6 sind dadurch vollkommen innerhalb der Empfangsoptik 10 untergebracht. Dies ergibt einen besonders kompakten Aufbau. Ferner erreicht die

ίο effektive Empfangsfläche in diesem Fall ein Optimum, weil die bei der Ausführungsform von F i g. 1 auftretende Abschattung durch den nach hinten überstehenden Teil des Tubus vermieden wird.

Je nach den räumlichen Bedingungen wäre es natürlich auch möglich, den Tubus 2 (in F i g. 1) oder 2' (in F i g. 2) nach vorn über die Vorderfläche der Linse 15 vorstehen zu lassen.

Die beschriebene Sende- und Empfangsoptik eignet sich für alle opto-elektronischen Entfernungsmeßgeräte, unabhängig von dem angewendeten Meßverfahren, also nicht nur bei dem als Beispiel angegebenen Impuls-Laufzeitverfahren, sondern auch bei Entfernungsmeßgeräten, die nach dem Dauerstrich-Phasenverfahren oder dem Dauerstrich-Frequenzverfahren arbeiten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Opto-elektronisches Entfernungsmeßgerät mit einer Sende-Linsenoptik zur Aussendung der von einer Lichtquelle erzeugten Lichtwellen zu einem Zielobjekt und mit einer Empfangs-Linsenoptik zum Empfang der am Zielobjekt reflektierten Lichtenergie, wobei die Empfangs-Linsenoptik einen größeren Öffnungsquerschnitt als die Sende-Linsenoptik hat und die oder jede Linse der Empfangs-Linsenoptik eine kreisrunde öffnung aufweist, in die ein lichtundurchlässiger Tubus eingesetzt ist, der die Sende-Linsenoptik enthält, deren optische Achse mit der Achse des Tubus zusammenfällt, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung (17, 18) in der bzw. jeder Linse (15,16) der Empfangs-Linsenoptik (10) derart exzentrisch zur optischen Achse (Y) der Empfangs-Linsenoptik (iO) liegt, daß der Abstand (A) zwischen den optischen Achsen (X, Y) der Sende-Linsenoptik (6) und der Empfangs-Linsenoptik (10) größer als der halbe Außendurchmesser (D)des Tubus (2) ist

2. Opto-elektronisches Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) im Innern des Tubus (2) angeordnet ist.

3. Opto-elektronisches Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche des Tubus (2) mit einer reflexionsfreien Schicht (19) bedeckt ist.

4. Opto-elektronisches Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Zielobjekt zugewandte Ende des Tubus (2) mit der vordersten Linsenfläche der Empfangs-Linsenoptik (10) abschließt.

5. Opto-elektronisches Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Zielobjekt abgewandte Ende (3') des Tubus (2') mit der hintersten Linsenfläche der Empfangs-Linsenoptik (10) abschließt.