DE4316348A1 - Vorrichtung zur Distanzmessung - Google Patents
Vorrichtung zur DistanzmessungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur
Distanzmessung mit den im Oberbegriff der Ansprüche 1
und 2 angegebenen Merkmalen.
Eine Vorrichtung dieser Art ist aus einer
Veröffentlichung der Fa. Wild Heerbrugg AG, Schweiz,
V. 86, mit dem Titel "Distanzmessung nach dem
Laufzeitmeßverfahren mit geodätischer Genauigkeit"
bekannt. Sie wird auch zur Messung von Distanzen zu
Objekten mit natürlichen rauhen Oberflächen eingesetzt.
So werden zur Vermessung von schwer zugänglichen
Oberflächen, wie z. B. Steinbrüche, Kavernenwände,
Tunnelprofile usw., bei denen Distanzen bis zu einigen
100 m gemessen werden müssen, Vorrichtungen verwendet,
bei denen gepulste Infrarothalbleiterlaserdioden mit
großen emittierenden Oberflächen als Strahlungsquellen
dienen. Der Vorteil dieser Strahlungsquellen besteht
darin, daß Strahlungspulse hoher Spitzenleistung in
der Größenordnung von einigen Watt erzeugt werden
können, so daß damit die geforderten Meßdistanzen von
einigen 100 m erreicht werden. Ein Nachteil ergibt sich
aus den relativ großen Abmessungen der emittierenden
Oberfläche dieser Laser in der Größenordnung von
300 µ, weil dadurch die Abstrahlungskeule dieser
Vorrichtungen eine Divergenz von ca. 2 mrad aufweist,
wodurch bei 50 m bereits ein Bündelquerschnitt von
0,1 m vorhanden ist. Bei sehr kurzer Distanz hat der
Bündelquerschnitt dieser Vorrichtung immer noch einen
Durchmesser von mehreren cm, weil man zur Aussendung
der Pulsleistung von einigen Watt bei 2 mrad
Bündeldivergenz Objektivdurchmesser von mehreren cm
braucht.
Da Sende- und Empfangsobjektiv getrennt angeordnet
sind, muß für den Nahbereich unter 10 bis 15 m zur
Überdeckung von Sende- und Empfangsbündel eine
Vorsatzlinse aufgesetzt werden. Ein weiterer Nachteil
besteht darin, daß wegen der infraroten Meßstrahlung
die aktuell angemessene Objektstelle nicht erkennbar
ist. Um den Zielort sichtbar zu machen, wird ein
zusätzlicher Laser mit sichtbarer Strahlungsemission
vorgesehen, dessen Strahlachse zur Sendestrahlachse
sorgfältig justiert werden muß. Das Gerät ist mit
einer elektronischen Auswerte- und Anzeigevorrichtung
ausgestattet, die es auch gestattet, über eine Tastatur
zusätzliche Werte einzugeben und Berechnungen
auszuführen.
Aus der DE 40 02 356 C1 ist ebenfalls ein
Abstandsmeßgerät mit getrenntem Sende- und
Empfangsobjektiv bekannt. Die Sendeeinrichtung enthält
zwei elektronisch komplementär schaltbare Laserdioden,
von denen eine die Lichtwellenzüge auf die Meßstrecke,
die andere die Lichtwellenzüge auf die Referenzstrecke
schickt. Beide Lichtwellenzüge werden vom gleichen
Fotoempfänger abwechselnd empfangen, der an eine
Auswerteelektronik angeschlossen ist. Es ist aus der
Druckschrift nicht zu entnehmen, ob die Laserdioden
sichtbares Licht emittieren. Der zu messende
Abstandsbereich wird mit 2 bis 10 m angegeben und
die Meßgenauigkeit soll im Bereich einiger mm liegen.
In der Zeitschrift "Industrie", 11/92, Seiten 6-8, wird
ein Entfernungs-Meßgerät DME 2000 der Fa. Sick GmbH
mit optischer Distanzmessung auf Basis Laufzeitmessung
beschrieben, das mit zwei sichtbares Licht
emittierenden Halbleiterlaserdioden arbeitet. Das
erforderliche Sendelicht erzeugt eine Laserdiode mit
Kollimatoroptik, die zweite Laserdiode liefert das
notwendige Referenzsignal direkt an den Empfänger. Das
Sendestrahlenbündel und das Empfangsstrahlenbündel sind
koaxial zueinander angeordnet, so daß nur ein einziges
Objektiv mit relativ großem Durchmesser verwendet wird.
Der Meßabstand zu natürlichen rauhen Oberflächen
beträgt 0,1 bis 2 m mit einem Lichtfleckdurchmesser
von ca. 3 mm. Für größere Objektentfernungen bis zu
130 m muß eine Reflektorfolie auf dem anzumessenden
Objekt angebracht werden. Der Lichtfleckdurchmesser
beträgt bei diesen Distanzen ca. 250 mm. In Verbindung
mit der koaxialen Sende-Empfangsoptik wird als
Empfänger eine relativ großflächige PIN-Fotodiode
verwendet. Damit ist dann zwar eine Überlappung der
stark divergenten Empfangslichtkeule mit dem
Sendebündel gegeben, so daß Distanzen bis herab zu
0,1 m gemessen werden können, jedoch lassen sich mit
diesen großflächigen Detektoren ohne zusätzliche
Reflektoren keine großen Meßreichweiten erzielen.
Im Baugewerbe, insbesondere beim Innenausbau und im
Installationsgewerbe besteht die Forderung, Distanzen
bis zu 30 m auf rauhen Oberflächen ohne zusätzliche
Präparation durch Reflektoren messen zu können. Bei
einer geforderten Meßgenauigkeit von 1 bis 2 mm muß
dazu die Divergenz des Empfangsbündels möglichst
klein sein, da andernfalls der mit empfangene
Umgebungslichtanteil ein zu großes Rauschsignal im
Empfänger erzeugen würde. Eine kleine Divergenz des
Empfangsbündels von ca. 2 mrad hat jedoch den Nachteil,
daß bei getrennten Sende- und Empfangsoptiken eine
Überlappung des Empfangsbündels mit dem Sendebündel
erst ab 1 bis 2 m vorliegt, so daß ohne weitere
Maßnahmen erst ab dieser Distanz eine Distanzmessung
möglich ist.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, mit einem
stark kollimierten sichtbaren Meßstrahlenbündel, das
im Nahbereich einen Durchmesser kleiner 0,5 cm und im
entfernten Grenzbereich einen Durchmesser kleiner 1 bis
2 cm aufweist, eine Distanzmessung zu natürlichen
rauhen Oberflächen im gesamten Distanzbereich von der
Vorderkante des Meßgerätes bis zu mindestens 30 m zu
ermöglichen.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale der Ansprüche 1 oder 2 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Vorrichtung
ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche 3
bis 18.
Beim Erfindungsgegenstand erzeugt das
Kollimatorobjektiv einen stark gebündelten Meßstrahl
entlang seiner optischen Achse. Die optische Achse
des daneben angeordneten Empfangsobjektivs verläuft
zumindest nahezu parallel zu der optischen Achse des
Kollimatorobjektivs und liegt mit dieser in einer
gemeinsamen Ebene. Die nicht vermeidbare Divergenz
des Meßstrahlenbündels, die relativ eng nebeneinander
liegenden optischen Abbildungssysteme und die
Brennweiten dieser Systeme bewirken, daß an Objekten
bis etwa 2 m Nähe reflektierte Meßstrahlung nahezu im
Brennpunkt des Empfangsobjektivs abgebildet wird.
Durch die Konzentration des empfangenen Lichts in einer
kleinen Fläche entstehen keine Intensitätsprobleme für
die Signalauswertung bis hin zu den weiten
Meßdistanzen.
Für kleine Meßdistanzen ist jedoch zu beobachten, daß
sich die Abbildungsposition des am Objekt reflektierten
Meßflecks zunehmend vom Brennpunkt längs und quer zur
optischen Achse des Empfangsobjektivs entfernt. Die
im Brennpunkt angeordnete Lichtleitereintrittsfläche
erhält dann kein Licht mehr, wodurch die untere
Meßgrenze erreicht wird. Erfindungsgemäß wird die
Lichtleitereintrittsfläche in einer ersten
Ausgestaltung der Verlagerung der Abbildungsposition
des Meßflecks nachgeführt, und zwar lediglich quer
zur optischen Achse des Empfangsobjektivs. Auf eine
Nachführung längs der optischen Achse kann verzichtet
werden, da Intensitätsprobleme hinsichtlich der an
nahen Objekten reflektierten Meßstrahlung nicht
bestehen. Es hat sich sogar herausgestellt, daß eine
Nachführung in die korrekte Abbildungsposition zu
einer Übersteuerung der Auswerteelektronik führt.
Die steuerbar verschiebbare Lichtleitereintrittsfläche
bietet für alle Meßdistanzen die Möglichkeit der
Anpassung an optimale Signalpegel. Eine dazu
alternative Lösung besteht darin, die
Lichtleitereintrittsfläche feststehend anzuordnen und
durch optische Umlenkmittel dafür zu sorgen, daß die
bei kurzen Objektdistanzen zunehmend schräger in das
Empfangsobjektiv einfallenden Meßstrahlen zur
Lichtleitereintrittsfläche gelenkt werden. Auch hierbei
wird die Erkenntnis ausgenutzt, daß es auf eine
abbildungsoptisch korrekte Umlenkung nicht ankommt, da
Intensitätsprobleme bei nahen Objektdistanzen nicht
bestehen. Diese Lösung hat den Vorteil, daß sie ohne
bewegte Elemente im Empfangskanal auskommt.
Ein die Meßgenauigkeit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung begrenzender Effekt ergibt sich aus den
physikalischen Eigenschaften der modulierten
Laserstrahlung im Zusammenwirken mit den anzumessenden
rauhen Oberflächen.
Die sichtbare Strahlung der Halbleiterlaserdioden wird
als Spektrum von äquidistanten Spektrallinien (Moden)
abgestrahlt. Während der Einwirkung des
Modulationsstromes ändern sich sowohl die Wellenlängen
als auch die Strahldichten (Intensitäten) der Moden.
Je nach Wellenlänge ergeben sich daher unterschiedliche
Modulationsphasenverzögerungen des Laserpulses
bezogen auf den elektrischen Modulationspuls. Die
Modulationsphase bezieht sich dabei auf den zeitlichen
Schwerpunkt ts der Intensitätsvariation I(t) über
die Abstrahldauer t des Laserpulses während eines
Modulationspulses. Mathematisch ist ts gleich dem
Integral über I(t)*t*dt dividiert durch das Integral
über I(t)*dt., wobei der Integrationsbereich gleich der
gesamten Laserpulsdauer ist.
Je nach Modulationsart und Modulationspulsbreite
können die je nach Wellenlänge variierenden
Modulationsphasenunterschiede zeitlichen
Laserpulsverzögerungen von bis zu 1,3 ns entsprechen.
Die entsprechenden scheinbaren Distanzunterschiede
gehen bis zu 200 mm.
Das von der anzumessenden rauhen Oberfläche
zurückgestreute Licht hat wegen der Kohärenz der
Laserstrahlung eine granulierte Intensitätsverteilung,
die unter der Bezeichnung Speckles bekannt ist. Nur
in der Richtung, in die die Laserstrahlung reflektiert
würde, wenn die rauhe Oberfläche ein Spiegel wäre,
fallen die Speckles der verschiedenen Moden der
Laserstrahlung zusammen. Wegen der unterschiedlichen
Wellenlänge der Moden ist das für alle anderen
Richtungen nicht der Fall, so daß ein Strahlungsfeld
mit räumlich unterschiedlichen Modulationsphasen
vorliegt.
Die Strahlung, die auf das Empfangsobjektiv fällt
und dem Fotodetektor zugeführt wird, hat eine
repräsentative Modulationsphase, die durch die mit
der entsprechenden Intensität gewichtete Mittelung über
alle Modulationsphasen des in das Objektiv einfallenden
Strahlungsfeldes entsteht. Dieser Mittelwert schwankt
je nach Specklesstruktur über das Strahlungsfeld, d. h.
je nach Struktur der rauhen Oberfläche. Durch
Verschieben eines Objektes mit makroskopisch
gleichförmig erscheinender Oberfläche senkrecht zur
Meßrichtung konnte nachgewiesen werden, daß der dieser
Modulationsphasenschwankung entsprechende Distanzfehler
bis zu 20 mm betragen kann.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß eine
entscheidende Verbesserung der physikalischen
Gegebenheit allein dadurch gelingt, daß die Modulation
der Laserdioden mit Anregungspulsen erzeugt wird,
deren Pulsbreite kleiner 2 ns beträgt. Dann werden
die Modulationsphasenunterschiede je nach Wellenlänge
so klein, daß die entsprechenden Distanzschwankungen
kleiner 2 mm werden.
Die Verwendung von Lichtleitern in Distanzmeßgeräten
ist an sich bekannt. Im Zusammenhang mit dem
vorliegenden Erfindungsgegenstand ergibt sich der
besondere Vorteil, daß der Lichtleiter in seinem
Verlauf zum opto-elektronischen Wandler mehrfach
gekrümmt werden kann. Dadurch wird die vorstehend
beschriebene gewichtete Mittelung über alle
Modulationsphasen zusätzlich unterstützt.
Zur Kompensation von Drifteffekten in der Elektronik
und in den opto-elektronischen Wandlern ist es bekannt,
daß vor und nach der externen Distanzmessung zum
Vergleich über eine interne Referenzstrecke bekannter
Länge gemessen wird. Zu diesem Zweck wird beim
Erfindungsgegenstand ein lichtstreuendes Element in
das kollimierte Meßstrahlenbündel so eingeschaltet,
daß keine Strahlung über den externen Lichtweg
gelangt. Die Streucharakteristik dieses Elementes
wird dem Raumbereich angepaßt, in dem die
Lichtleitereintrittsfläche verstellt wird. Dadurch
werden zwei für die Funktion der Vorrichtung
wesentliche Vorteile erzielt. Zum einen wird
erreicht, daß von jedem Teil des Meßstrahlenbündels
Strahlung in die Lichtleitereintrittsfläche gelangt,
wodurch Unterschiede der Modulationsphase über den
Querschnitt des Meßstrahlenbündels keinen Einfluß auf
die Distanzmessung haben. Da von dem lichtstreuenden
Element die Strahlung in den gesamten Raumbereich
gestreut wird, in dem sich die
Lichtleitereintrittsfläche bewegt, kann die
Referenzmessung in jeder Position der
Lichtleitereintrittsfläche sofort und ohne erneutes
Einregeln der Position durchgeführt werden, wodurch
eine kurze Meßzeit erreicht wird. Die Streuintensität
pro Flächeneinheit kann so eingestellt werden, daß
eine Übersteuerung der Auswerteeinrichtung sicher
vermieden wird. Diese Maßnahme hat daher nicht
nur für die Anordnung mit verstellbarer
Lichtleitereintrittsfläche sondern in gleicher
Weise Bedeutung für die alternative Anordnung
mit feststehender Lichtleitereintrittsfläche und
zusätzlichen Strahlenumlenkmitteln.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachfolgend
anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten
Ausführungsbeispielen näher beschrieben, wobei auch auf
weitere Vorteile eingegangen wird. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 eine Gesamtdarstellung der Vorrichtung mit
verstellbarer Lichtleitereintrittsfläche in
Aufsicht,
Fig. 2 einen Empfangsteil mit einem Spiegel zur
Strahlumlenkung,
Fig. 3 einen Empfangsteil mit refraktiver
Strahlumlenkung,
Fig. 4 einen Empfangsteil mit diffraktiver
Strahlumlenkung,
Fig. 5 einen in das Sendestrahlenbündel eingesetzten
Strahlenteiler und
Fig. 6 ein in das Sendestrahlenbündel einschaltbares
Umlenkprisma.
In Fig. 1 erzeugt ein Halbleiterlaser 10 ein sichtbares
Meßstrahlenbündel 11, das durch ein Kollimatorobjektiv
12 in Richtung der optischen Achse 13 als
Parallelstrahlenbündel ausgesendet wird und einen
Durchmesser von etwa 4 mm hat. Die optische Achse 14
des Empfangsobjektivs 15 verläuft zumindest angenähert
parallel zur optischen Achse 13 des Kollimatorobjektivs
12 und liegt mit dieser in einer Ebene. Der Durchmesser
des Empfangsobjektivs 15 beträgt etwa 30 mm und der
Aufnahmewinkel etwa 120°, so daß einerseits der
Bündelquerschnitt für von weit entfernten Objekten 16
reflektierte Strahlungsintensitäten ausreichend
groß ist und andererseits auch die von nahen Objekten
unter großem Einfallswinkel reflektierte Strahlung
aufgenommen werden kann.
Weit entfernte Objekte 16 scheinen für die
Empfangsoptik 15 im Unendlichen zu liegen, so daß
der Abbildungsort des am Objekt erzeugten Meßflecks
auf der optischen Achse 14 im Brennpunkt des
Empfangsobjektivs 15 liegt. Hier ist die
Lichtleitereintrittsfläche 17 in ihrer Grundposition
angeordnet. Das Lichtleiterende ist von einer Halterung
18 umfaßt, die an einer Blattfeder 19 befestigt ist.
Das andere Ende der Blattfeder 19 ist am Gehäuse 20
der Distanzmeßvorrichtung starr eingespannt und bildet
daher ein Federgelenk. Die Blattfeder 19 liegt unter
Vorspannung an einem Exzenter 21 an, der motorisch um
eine Achse 22 drehbar ist. Die Halterung 18 bewegt sich
bei Drehung des Exzenters 21 z. B. in die Position 18′
quer zur optischen Achse 14. Der Verstellweg beträgt
in einem praktischen Ausführungsbeispiel etwa 3 mm.
In der Position 18′ wird Strahlung von einem nahen
Objekt empfangen, was durch das gestrichelt
eingezeichnete Empfangsstrahlenbündel angedeutet
ist. Die Verstellung der Lichtleitereintrittsfläche
verläuft in etwa in der Brennebene des
Empfangsobjektivs 15. Die korrekte Abbildungsposition
des nahen Meßflecks liegt ersichtlich in Lichtrichtung
hinter der Brennebene.
Anstelle der im Ausführungsbeispiel gewählten
Verstellvorrichtung mit Federgelenk und Exzenter sind
andere konstruktive Ausgestaltungen möglich, wie z. B.
Schlitten- oder Mehrgelenk-Elemente.
Der Lichtleiter 17′ ist in seinem vorderen Abschnitt
frei beweglich, so daß er der Verstellung der Halterung
18 folgen kann. In seinem hinteren Abschnitt 23 ist
er mehrfach gekrümmt fixiert. An seinem Ende ist der
Lichtleiteraustrittsfläche ein opto-elektronischer
Wandler 24 nachgeschaltet. Die Empfangssignale werden
einer Auswerteeinrichtung 25 zugeführt.
Im Bereich des aus dem Gehäuse 20 der Vorrichtung
austretenden Meßstrahlenbündels 11 ist eine reflexarm
verspiegelte Abschlußscheibe 26 eingesetzt, die zur
Unterdrückung von Reflexen auch schräg zum Strahl
gestellt sein kann. Um zu vermeiden, daß Reststreuungen
zur Lichtleitereintrittsfläche 17 gelangen, ist
außerdem eine rohrförmige Blende 27 vorgesehen. Vor der
Lichteintrittsöffnung dieser Blende 27 ist eine
schaltbare Strahlenumlenkeinrichtung 28 angeordnet,
die um eine Achse 29 motorisch schwenkbar ist. Die
vom Meßstrahlenbündel 11 beaufschlagte Oberfläche der
Strahlenumlenkeinrichtung 28 ist streuend, wobei ein
divergenter Streukegel 30 erzeugt wird. Die Öffnung des
Streukegels 30 im Bereich der
Lichtleitereintrittsfläche 17 ist so groß, daß in
allen Positionen Strahlung aus dem so erzeugten
Referenzlichtweg empfangen wird.
Die Auswerteeinrichtung 25 enthält auch die Elektronik
zur Modulation des Halbleiterlasers 10. Zur Justierung
der Abstrahlrichtung des Halbleiterlasers 10 auf die
optische Achse 13 des Kollimatorobjektivs 12 kann das
Gehäuse des Halbleiterlasers 10 um eine Achse 31 oder
eine dazu senkrecht stehende Achse schwenkbar gelagert
sein. Die Justierung kann in Abhängigkeit von einem
ausgewählten Empfangssignal motorisch über die
Auswerteeinrichtung 25 gesteuert werden. Zum Ausgleich
von geringen Fehljustierungen der optischen Achsen 13,
14 zu einer gemeinsamen Ebene kann es auch vorteilhaft
sein, die Lichtleitereintrittsfläche nicht nur in der
Ebene der optischen Achsen 13, 14, sondern auch
senkrecht dazu zu verstellen. Durch eine geeignete
Abtastbewegung in der Brennebene des Empfangsobjektivs
15 kann der Ort mit einem optimalen Signalpegel
ermittelt werden und in dieser Lage der
Lichtleitereintrittsfläche 17 die Signalauswertung
vorgenommen werden.
Die Auswerteeinrichtung 25 enthält eine
Anzeigevorrichtung 32 und eine Tastatur 33, über die
z. B. Korrekturwerte oder ergänzende Informationen zur
aktuellen Distanzmessung eingegeben werden können. Eine
wichtige ergänzende Information ist die
Berücksichtigung der Horizontallage bzw. Vertikallage
der durch die beiden optischen Achsen 13, 14
definierten Ebene, um tatsächlich senkrecht zum Objekt
messen zu können. Dazu kann der Vorrichtung z. B. ein
zweiachsiger elektronischer Neigungsmesser 34
zugeordnet sein, dessen Horizontalachsen in der Ebene
der optischen Achsen 13, 14 liegen und parallel und
senkrecht zu diesen Achsen ausgerichtet sind. Die
Ausgangssignale des Neigungsmessers 34 können der
Auswerteeinrichtung 25 zugeführt und bei der
Distanzmessung automatisch berücksichtigt werden. Sie
können aber auch zur mechanischen Verstellung des
Halbleiterlasers 10 oder eines nicht dargestellten
ativen optischen Elementes im Sendestrahlengang
verwendet werden, um das kollimierte Strahlenbündel
automatisch zu horizontieren.
Neben einer Information über die Neigung der
Vorrichtung im Raum erweitert die Berücksichtigung
des Azimuts, d. h. des Winkels, unter dem das
Meßstrahlenbündel in der Horizontalebene auf die
angemessene Objektfläche auftrifft, die Möglichkeiten
der Distanzmessung, und zwar in Form einer polaren
Aufnahme der Meßwerte. Dazu kann der Vorrichtung ein
digital-magnetischer Kompaß 35 zugeordnet sein, dessen
Azimutreferenzrichtung parallel zur optischen Achse 13
des Kollimatorobjektivs 12 ausgerichtet ist. Mehrere
Distanzmessungen mit Berücksichtigung der Neigung und
des Azimuts des Meßstrahlenbündels erlauben in an sich
bekannter Weise die Bestimmung von Punkten und Flächen
im Raum und auch die Bestimmung der Lage von Flächen
zueinander von einem einzigen Meßstandort aus. Ebenso
ist die rechnerische Ermittlung von Horizontaldistanzen
möglich, wie sie sonst nur bei Meßsystemen mit
mechanischen Achsen, elektronischen Tachymetern,
möglich ist.
Als Nullpunkt der Messung können die Vorderfläche, die
Rückfläche oder auch die Mitte des Gehäuses 20 der
Vorrichtung definiert und wahlweise z. B. über die
Tastatur 33 in die Auswerteeinrichtung 25 eingegeben
sowie von ihr automatisch bei der Distanzmessung
berücksichtigt werden.
Fig. 2 zeigt eine erste Lösungsmöglichkeit zur
Umlenkung der von nahen Objektflächen reflektierten
Strahlenbündel in Richtung auf eine feststehende
Lichtleitereintrittsfläche 17. Dazu dient hier ein
außerhalb der optischen Achse 14 und schräg zu ihr
angeordneter ebener Spiegel 36, der aber auch leicht
gekrümmt und streuend sein kann. Die zweckmäßige Form,
Anordnung und Ausgestaltung können durch Versuche,
die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen, leicht
bestimmt werden. Zum Ausgleich von evtl. vorhandenen
Schieflagen zwischen den optischen Achsen 13, 14 kann
es insbesondere sinnvoll sein, den Spiegel torusförmig
um die optische Achse 14 herum auszubilden. Die
beschriebene Anordnung hat den Vorteil, daß die
von entfernten Objekten empfangene Strahlung durch
das Umlenkmittel nicht beeinflußt wird.
In Fig. 3 ist als weitere Möglichkeit zur Umlenkung
der schräg einfallenden Meßstrahlen ein Prisma 37 als
refraktives Element vorgesehen. Auch hier kann durch
Versuche die zweckmäßigste Anordnung des Prismas 37
ermittelt werden, in der einerseits die von entfernten
Objekten empfangene Strahlung nicht so weit abgelenkt
wird, daß Intensitätsschwierigkeiten auftreten und
andererseits ein ausreichender Anteil der schräg
einfallenden Meßstrahlen in Richtung auf die
Lichtleitereintrittsfläche 17 gelenkt wird.
Insbesondere kann es vorteilhaft sein, die refraktive
Fläche ringsymmetrisch zur optischen Achse 14
anzuordnen und im Zentrum einen Teil unbeeinflußt
zu lassen. Das Prisma 37 kann auch schaltbar sein, so
daß es nur bei nahen Objektdistanzen wirksam wird.
Fig. 4 zeigt eine weitere Möglichkeit der
richtungsabhängigen Strahlenumlenkung mit Hilfe eines
diffraktiven Elementes 38. Solche Elemente gewinnen
durch Weiterentwicklung der Mikrostrukturtechnik
für holographische Elemente, Zonenplatten und binäre
Optiken zunehmend an Bedeutung. Eine Übersicht über
die Gestaltung und Anwendung solcher Elemente kann
einer Publikation des Centre Suisse d′Electronique
et de Microtechnique S.A. über Diffractive Optical
Elements (DOE), Juni 1991, entnommen werden. Der
Vorteil dieser Elemente liegt darin, daß die
diffraktive Struktur individuellen
Abbildungseigenschaften angepaßt werden kann.
Dabei können auch komplizierte optische
Transformationsfunktionen relativ einfach realisiert
werden. Insbesondere kann eine Beugungsstruktur
berechnet und fotolithografisch erzeugt werden,
die aus unterschiedlichen Richtungen einfallende
Strahlen in dieselbe Richtung lenken. Der
Aufnahmewinkel des Objektivs 15 in Richtung des
Sendestrahls kann damit wesentlich vergrößert werden.
Eine Erweiterung des Anwendungsbereichs der
erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich durch
den Einsatz eines drehbaren Zweistrahlprismas in das
austretende kollimierte Meßstrahlenbündel. Wie in
Fig. 5 dargestellt, kann dazu die Abschlußscheibe 26
entfernt und an ihrer Stelle ein Tubus 39 in die
rohrförmige Blende 27 eingesetzt werden. In den Tubus
39 ist ein Prisma 40 mit strahlteilender Kittfläche 41
eingesetzt. Durch eine Öffnung 42 im Tubus 39 kann
auf diese Weise ein zusätzlicher sichtbarer Strahl
senkrecht zur optischen Achse 13 des Meßstrahlenbündels
erzeugt werden. Dieser Strahl kann z. B. dazu verwendet
werden, ihn an eine vorhandene Fläche anzulegen, um
Abstände senkrecht zu dieser Fläche messen zu können.
Bei senkrecht zum Meßobjekt ausgerichteter Vorrichtung
können mit dem zusätzlichen Strahl auch Abstandswerte
auf andere Flächen übertragen werden.
Der in Fig. 5 dargestellte Vorsatz zur Erzeugung eines
Orientierungsstrahles senkrecht zum Meßstrahl kann in
an sich bekannter Weise auch durch Prismen mit mehreren
Teilerflächen oder anderer Strahlenumlenkung, wie z. B.
bei einem Pentaprisma, abgeändert werden.
Eine weitere Aufgabe des Vorsatzes kann darin bestehen,
die optische Achse 13 des Meßstrahles in Richtung auf
die optische Achse 14 des Empfangsobjektivs 15
umzulenken. Eine solche Ausgestaltung ist in Fig. 6
dargestellt. Sie hat den Vorteil, daß sogar an der
Vorderkante 20′ des Gehäuses 20 anliegende Objekte
Strahlung in den Empfangsstrahlengang reflektieren. Aus
konstruktiven Gründen der Halterung des Objektivs 15
ist es in diesem Fall vorteilhaft, das Empfangsobjektiv
15 etwas in das Gehäuse 20 hinein zu verlegen. Das zur
Umlenkung der Strahlen vorgesehene Prisma 43 ist auf
einem Schieber 44 angeordnet, der bei Messung von sehr
kurzen Entfernungen von Hand in den Strahlengang
eingeschoben werden kann.
Der Aufwand an Funktionselementen für die
erfindungsgemäße Vorrichtung ist gering und diese
eignen sich für eine Miniaturisierung. Die Vorrichtung
kann daher sehr kompakt und insbesondere als
Taschengerät ausgestaltet werden.
Claims (18)
1. Vorrichtung zur Distanzmessung mit
- - einem von einem Halbleiterlaser (10) erzeugten sichtbaren Meßstrahlenbündel (11),
- - einem Kollimatorobjektiv (12) zur Kollimation des Meßstrahlenbündels (11) in Richtung der optischen Achse (13) des Kollimatorobjektivs (12),
- - einer Schaltungsanordnung zur Modulation der Meßstrahlung,
- - einem Empfangsobjektiv (15) zur Aufnahme und Abbildung des an einem entfernten Objekt (16) reflektierten Meßstrahlenbündels (11) auf eine Empfangseinrichtung,
- - einer schaltbaren Strahlumlenkeinrichtung (28) zur Erzeugung einer internen Referenzstrecke zwischen dem Halbleiterlaser (10) und der Empfangseinrichtung und
- - einer elektronischen Auswerteeinrichtung (25) zur Ermittlung und Anzeige der zum Objekt (16) gemessenen Distanz, dadurch ge kennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung einen Lichtleiter (17′) mit nachgeschaltetem opto-elektronischem Wandler (24) enthält, wobei die Lichtleitereintrittsfläche (17) in der Abbildungsebene des Empfangsobjektivs (15) für große Objektentfernungen angeordnet und aus dieser Position (18) quer zur optischen Achse (14) des Empfangsobjektivs (15) steuerbar verschiebbar ist.
2. Vorrichtung zur Distanzmessung mit
- - einem von einem Halbleiterlaser (10) erzeugten sichtbaren Meßstrahlenbündel (11),
- - einem Kollimatorobjektiv (12) zur Kollimation des Meßstrahlenbündels (11) in Richtung der optischen Achse (13) des Kollimatorobjektivs (12),
- - einer Schaltungsanordnung zur Modulation der Meßstrahlung,
- - einem Empfangsobjektiv (15) zur Aufnahme und Abbildung des an einem entfernten Objekt (16) reflektierten Meßstrahlenbündels (11) auf eine Empfangseinrichtung,
- - einer schaltbaren Strahlumlenkeinrichtung (28) zur Erzeugung einer internen Referenzstrecke zwischen dem Halbleiterlaser (10) und der Empfangseinrichtung und
- - einer elektronischen Auswerteeinrichtung (25) zur Ermittlung und Anzeiger der zum Objekt (16) gemessenen Distanz, dadurch ge kennzeichnet, daß die Empfangseinrichtung einen Lichtleiter (17′) mit nachgeschaltetem opto-elektronischen Wandler (24) enthält, wobei die Lichtleitereintrittsfläche (17) auf der optischen Achse (14) des Empfangsobjektivs (15) in der Abbildungsebene für große Objektdistanzen angeordnet ist und zwischen dem Empfangsobjektiv (15) und der Lichtleitereintrittsfläche (17) außerhalb der optischen Achse (14) des Empfangsobjektivs (15) optische Mittel (36; 37; 38) vorgesehen sind, die bei kürzeren Objektdistanzen die Abbildungsposition des Meßstrahlenbündels (11) zur optischen Achse (14) des Empfangsobjektivs (15) umlenken.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Meßstrahlung
pulsmoduliert ist mit Anregungspulsen einer
Pulsbreite unterhalb von zwei Nanosekunden.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß der Lichtleiter
(17′) in seinem Verlauf mehrfach gekrümmt (23)
ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das
Lichteintrittsende (17) des Lichtleiters (17′) von
einer mechanischen Verstellvorrichtung (18, 19,
21, 22) gehalten wird, die in einer Ebene
verstellbar ist, die durch die optischen Achsen
(13, 14) des Kollimatorobjektivs (12) und
Empfangsobjektivs (15) definiert ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Verstellvorrichtung zusätzlich senkrecht zu
der durch die optischen Achsen (13, 14)
definierten Ebene verstellbar ist.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein motorischer Antrieb mit Steuereinrichtung
vorgesehen ist, die die Verstellvorrichtung aus
der Grundposition (18) über den vorgegebenen
Verstellbereich (18′) bewegt, wobei die
aufgenommene Lichtintensität gemessen und
gespeichert wird und danach die
Verstellvorrichtung in eine Position
gebracht wird, in der eine für die
Signalauswertung optimale Lichtintensität
empfangen wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Verstellvorrichtung aus einem Federgelenk (19) mit
motorisch angetriebenem Exzenter (21, 22) besteht.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß als schaltbare
Strahlumlenkeinrichtung für die Erzeugung
der Referenzstrecke ein lichtstreuendes Element
(28) vorgesehen ist, dessen Streucharakteristik
(30) dem Verstellbereich (18, 18′) der
Lichtleitereintrittsfläche (17) angepaßt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Umlenkung
der Abbildungsposition ein geneigt zur optischen
Achse (14) des Empfangsobjektivs (15)
ausgerichteter Reflektor (36) vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Umlenkung
der Abbildungsposition ein in Randbereichen des
Empfangsobjektivs (15) angeordnetes refraktives
optisches Element (37) vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Umlenkung
der Abbildungsposition dem Empfangsobjektiv (15)
ein diffraktives optisches Element (38) zugeordnet
ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, gekennzeichnet
durch einen elektronischen Neigungsmesser
(34), dessen Meßachse parallel zur optischen Achse
(13) des Kollimatorobjektivs (12) ausgerichtet
ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch
einen zwei-achsigen elektronischen Neigungsmesser,
(34) dessen eine Achse parallel zur optischen
Achse (13) des Kollimatorobjektivs (12) und dessen
andere Achse senkrecht dazu und parallel zu der
Ebene ausgerichtet ist, die durch die optischen
Achsen (13, 14) des Kollimatorobjektivs (12) und
des Empfangsobjektivs (15) gebildet wird.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, gekennzeichnet
durch einen digital-magnetischen Kompaß (35),
dessen Azimut-Referenzrichtung parallel zur
optischen Achse (13) des Kollimatorobjektivs (12)
ausgerichtet ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangssignale des Neigungsmessers (34)
und/oder Kompaß (35) der Auswerteeinrichtung (25)
als zusätzliche Eingangssignale zugeleitet werden.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Ausgangssignale des Neigungsmessers (34) einem
aktiven optischen oder mechanischen Stellelement
zur Horizontierung des kollimierten
Meßstrahlenbündels (11) zugeleitet werden.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, gekennzeichnet durch
ein in das austretende Meßstrahlenbündel (11)
einfügbares Prisma (40, 41; 43).
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Owner name: LEICA GEOSYSTEMS AG, HEERBRUGG, CH |
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Representative=s name: STAMER, H., DIPL.-PHYS., PAT.-ANW., 35579 WETZLAR |
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