-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem, das einen Laserstrahl
als Entfernungsmessungslicht verwendet, und insbesondere eine Verbesserung,
um ein kompaktes Antriebssystem mit geringem Gewicht zu erreichen,
das für
die Lichtmischung verwendet wird mit dem Zweck, die Probleme beim
Umschalten optischer Strahlengänge
beim Anpassen einer Lichtquelle und beim Entfernen eines Specklemusters
(Tupfenmusters) in dem Laserstrahl in einem Lichtwellen-Entfernungsmessungssystem zu
beseitigen.
-
Es
erfolgt unten die Beschreibung eines optischen Systems eines Lichtwellen-Entfernungsmessungssystems
herkömmlichen
Typs, die sich auf 5 bezieht.
-
Das
optische System weist in erster Linie eine Lichtprojektionseinheit 1,
eine optische Entfernungsmessungseinheit 2, eine Photodetektoreinheit 3 und
einen Entfernungsmessungsschaltkreis 4 auf. Außerdem weist
die Lichtprojektionseinheit 1 einen Halbleiterlaser 5,
zum Ausstrahlen eines Laserstrahls als Entfernungsmesslicht, einen
optischen Expander 9, um den von dem Halbleiterlaser 5 ausgestrahlten
Laserstrahl über
Linsen 6 und 7 in eine optischen Faser 8 einzuleiten,
Gradientenindexlinsen 12 und 13, um den von der
optischen Faser 8 projizierten Laserstrahl in eine optischen
Faser 11 einzuleiten, eine Phasenplatte 14 in
einer runden Form, die zwischen der Linse 6 und der Linse 7 angebracht
ist und einen Mischungsmotor 15, um die Phasenplatte 14 zu
drehen, auf. Die Phasenplatte 14, der Mischungsmotor 15 und
die Gradientenindexlinsen 12 und 13 ergeben ein
Mischungsmittel 16.
-
Nunmehr
wird die optische Entfernungsmessungseinheit 2 beschrieben.
-
Ein
Prisma 17 und eine Objektivlinse 18 sind auf einer
optischen Achse des eingehenden und ausgehenden Entfernungsmessungs-Lichts
angeordnet. Der von der optischen Faser 11 projizierte
Laserstrahl wird durch das Prisma 17 auf ein zu messendes
Objekt (nicht gezeigt) reflektiert. Nachdem es von dem Prisma 17 reflektiert
worden ist und die Objektivlinse 18 passiert hat, wird
das Entfernungsmessungs-Licht 19 auf das zu messende Objekt
projiziert. Das Entfernungsmessungs-Licht 19 wird von dem
zu messende Objekt reflektiert, passiert die Objektivlinse 18 und
tritt in das Lichtwellen-Entfernungsmessungssystem ein. Dann wird
das Entfernungsmessungs-Licht 19 von dem Prisma 17 reflektiert und,
wie später
beschrieben, in eine optische Faser 26 einer Photodetektoreinheit 3 eingeleitet.
-
Ein
Teilungsprisma 21 ist an einer Position gegenüber dem
Prisma 17 angebracht. Das Teilungsprisma 21 besitzt
eine Lichtstrahlen-Teilungsoberfläche 21a und eine Reflektionsoberfläche 21b. Die
Lichtstrahlen-Teilungsoberfläche 21a teilt
einen Teil des von der optischen Faser 11 projizierten
Entfernungsmessungs-Lichts 19 als ein inneres Referenzlicht 22 ab.
Eine Lichtmengen-Justierplatte 23 in der runden Form ist
drehbar zwischen dem Teilungsprisma 21 und dem Prisma 17 befestigt.
Die Lichtmengen-Justierplatte 23 wird durch einen Lichtmengen-Justiermotor 24 gedreht
und ihre Position wird bestimmt. Die Lichtmengen-Justierplatte 23 und der Lichtmengen-Justiermotor 24 bilden
das Lichtmengen-Justiermittel 25.
-
Ein
Teilungsprisma 27 ist an einer Position gegenüber dem
Teilungsprisma 21 mit dem Prisma 17 zwischen dem
Teilungsprisma 27 und dem Teilungsprisma 21 angeordnet.
Das Teilungsprisma 27 besitzt eine Lichtstrahlen-Teilungsoberfläche 27a und
eine Reflektionsoberfläche 27b.
Die Lichtwellen-Teilungsoberfläche 27a ermöglicht es
einem von dem Prisma 17 reflektierten Entfernungsmessungs-Licht 19' zu passieren,
und das Licht 19' tritt
in die optische Faser 26 ein. Linsen 28 und 29 sind
zwischen der Reflektionsoberfläche 21b und
der Reflektionsoberfläche 27b angebracht.
Nachdem es die Linsen 28 und 29 passiert hat,
wird das innere Referenzlicht durch die Reflektionsoberfläche 27b und
die Lichtstrahlen-Teilungsoberfläche 27a reflektiert
und tritt in die optische Faser 26 ein.
-
Ein
Strahlengang-Schaltplatte 31 in einer runden Form ist drehbar
zwischen dem Prisma 17 und der Linse 29 auf einer
Seite und dem Teilungsprisma 27 auf der anderen Seite angebracht.
Zwei Rotationspositionen der Strahlengang-Schaltplatte 31 können von
einem Strahlengang-Schaltmotor 32 ausgewählt werden.
Die Strahlengang-Schaltplatte 31 und der Strahlengang-Schaltmotor 32 bilden
ein Strahlengang-Schaltmittel 36.
-
Die
Photodetektoreinheit 3 weist Kondensorlinsen 33 und 34 und
ein Photodetektorelement 35 auf. Das von der optischen
Faser 26 projizierte, reflektierte Entfernungsmessungs-Licht 19' wird dem Photodetektorelement 35 von
der Kondensorlinsen 33 und 34 zusammenlaufend
zugeführt
und von dem Photodetektorelement 35 empfangen.
-
Der
Entfernungsmessungsschaltkreis 4 steuert den Halbleiterlaser 5 an,
um das Licht auszustrahlen, und eine Entfernung zu dem zu messenden Objekt
wird auf Grundlage eines Photodetektorsignals von dem Photodetektorelement 35 berechnet.
-
Nunmehr
werden die Mischungsmittel 16 beschreiben.
-
Wenn
der Halbleiterlaser 5 den Laserstrahl ausstrahlt, ist es
unvermeidlich, dass ein Specklemuster auftritt. Um das Specklemuster
zu beseitigen, wird das Mischungsmittel 16 bereitgestellt.
-
Einer
der Gründe
dafür,
das Lichtemissions-Specklemuster des Laserstrahls herbeizuführen, sind
die Veränderungen
eines Specklemusters über einen
Zeitraum.
-
Zuerst
wird eine Beschreibung der Veränderungen
des Specklemusters über
einen Zeitraum geliefert.
-
Es
ist allgemein bekannt, dass sich eine Lichtemissionswellenlänge des
Halbleiterlasers 5 in Abhängigkeit von der Temperatur
verändert.
Das wird in 6(A) dargestellt. Das
heißt,
eine Lichtemissionswellenlänge λ des Halbleiterlasers 5 wird verlängert, wenn
eine Spitzentemperatur Tc erhöht wird,
und die Lichtemissionswellenlänge λ wird in
Bezug auf die Spitzentemperatur Tc ständig verändert. Das tritt auf, weil,
wenn ein Brechungsindex n einer aktiven Schicht mit der Temperaturveränderung
variiert wird, die Lichtemissionswellenlänge λ des Halbleiterlasers 5 entsprechend
verändert
wird. Hier wird angenommen, dass die aufgrund der Temperaturveränderung
auftretende Veränderung
des Brechungsindexes der aktiven Schicht Δn ist. Wenn dann Δn L, d.h.
die Veränderung
der optischen Länge
der aktiven Schicht, kleiner als 1/2 einer Resonanzwellenlänge des
Halbleiterlasers 5 ist, wird die Resonanzwellenlänge kontinuierlich
verändert.
Wenn Δn
L größer als
1/2 der Resonanzwellenlänge
des Halbleiterlasers 5 ist, tritt eine sprunghafte, „Modenspruch" genannte Erscheinung
der Wellenlängenveränderung
auf.
-
Bei
dieser „Modensprung" genannten Erscheinung,
wenn die Resonanzwellenlänge
des Halbleiterlasers 5 um mehr als die Hälfte der
Wellenlänge
der stehenden Lichtwelle in Längsrichtung
des Resonators verändert
wird, springt sie in den Longitudinalmodus über, der sich vom bis zu diesem
Zeitpunkt vorhandenen Oszillationsmodus unterscheidet.
-
Nunmehr
wird, unter Bezug auf 6(B) der Fall
beschrieben, wenn rechteckig modulierter elektrischer Strom dem
Halbleiterlaser 5 zugeführt
wird.
-
Es
wird angenommen, dass ein elektrischer Strom mit einer rechteckigen
Impulsform, wie in 6(B)(1) gezeigt,
dem Halbleiterlaser 5 von der Zeit t0 bis zu der Zeit t1
zugeführt
wird. Dann wird das Specklemuster, wie in 7 gezeigt,
aufgrund der Kohärenz
auf dem Halbleiterlaser 5 gebildet. Andererseits wird die
Spitze des Halbleiterlasers aufgrund des Antriebsstroms erwärmt, und
die Temperatur wird bis zu einem Temperaturwert erhöht, bei
dem ein Gleichgewicht zwischen dem Betrag der Erwärmung und
einem Betrag der Wärmeabstrahlung
gegenüber einer
Kupferbasis, auf der der Halbleiterlaser 5 befestigt ist,
oder gegenüber
der Luft gehalten wird. 6(B)(2) zeigt
diese Temperaturerhöhung
der Spitze.
-
Wenn
die Temperatur des Halbleiterlasers 5 erhöht wird,
wird die Lichtemissionswellenlänge λ aufgrund
der oben beschriebenen Ursache verändert. Wenn die Lichtemissionswellenlänge λ verändert wird,
wird das als ein Interferenzmuster entwickelte Specklemuster, wie
in 7 gezeigt, im Zusammenhang mit dieser Veränderung
verändert. Lichtstärke-Wellenmuster
der Punkte A und B in 7 werden in 6(B)(3)
bzw. 6(B)(4) gezeigt. Das heißt, an dem
Punkt A von 7 ist die Lichtstärke des
Specklemusters zum Zeitpunkt t0 hoch, und die Lichtstärke wird
mit der Veränderung der
Lichtemissionswellenlänge λ schrittweise
gesenkt (6(B)(3)). Andererseits ist
die Lichtstärke an
dem Punkt B in 7 zum Zeitpunkt T0 schwach, während die
Lichtstärke
mit der Veränderung
der Lichtemissionswellenlänge λ schrittweise
erhöht
wird (6(B)(4)).
-
Demzufolge
wird, wenn das Wellenmuster an dem Punkt A mit dem Wellenmuster
an dem Punkt B verglichen wird, die Phase des Wellengrundbauteils
der Wellenform abgelenkt, und es ist sicher, dass die Phase bei
dem ersteren fortgeschrittener ist als bei dem letzteren. Wenn der
Halbleiterlaser 5 moduliert wird, wird die Lichtemissionswellenform
aufgrund der Kohärenz
und der Abhängigkeit
der Wellenlänge
von der Temperatur ungleichmäßig.
-
Das
Mischungsmittel 16 wird zum Zweck des Beseitigens dieses
Lichtemissionsspecklemusters bereitgestellt.
-
Nunmehr
wird das Mischungsmittel 16 beschrieben.
-
Das
Mischungsmittel 16 weist zwei Elemente auf. Ein Element
ist die Phasenplatte 14, wie oben beschrieben. Das andere
sind die Gradientenindexlinsen 12 und 13. Die
Gradientenindexlinsen 12 und 13 werden für das Mischen
des Specklemusters, das durch den Unterschied der Reaktion aufgrund
eines Austrittswinkels des Halbleiterlasers 5 verursacht wird,
bereitgestellt.
-
Als
Nächstes
erfolgt die Beschreibung des Prinzips der Phasenplatte 14.
-
Zuerst
wird unter Bezug auf 8 ein Beispiel von Phasenmodulationsrastern,
wie sie allgemein verwendet werden, beschrieben.
-
Auf
den Phasenmodulationsrastern werden Vertiefungen und Erhebungen,
die jeweils eine Tiefe von „t" aufweisen, mit Zwischenraum
von Abstand „d" auf einem parallelen
flachen Glas bereitgestellt. Wenn das Licht mit Wellenlänge λ in diese
Phasenmodulationsraster eintritt, tritt Beugung auf.
-
Besprechen
wir das Muster der in 9 gezeigten Phasenplatte 14.
Die Phasenplatte 14 weist ein Schachbrettmuster (engl.: „hound's tooth check") mit dunklen Teilen
und offenen Teilen, die jeweils eine Seite mit einer Länge von
d/2 aufweisen. Die dunklen Teile sind Erhebungen und die offenen
Teile sind Vertiefungen. Ein Phasenunterschied zwischen Vertiefungen
und Erhebungen beträgt π/2.
-
Als
Nächstes
wird der Vorgang, wenn die Phasenplatte 14 zwischen den
Linsen 6 und 7 platziert wird, unter Bezug auf 10 beschrieben.
-
Das
von dem Halbleiterlaser 5 ausgestrahlte Licht wird von
der Linse 6 in einen parallelen Strahl umgewandelt, und
der Stahl wird von der Phasenplatte 14 gebeugt. Ein Licht
0. Ordnung und ein gebeugtes Licht werden von der Linse 7 konvergiert, und
es wird an der Endfläche
der optischen Faser 8 ein Bild erzeugt. Das Bild auf der
Endfläche
der optischen Faser 8 ist ein Bild, das aus einem Bild
besteht, das von dem Beugungslicht 0. Ordnung und dem Beugungslicht,
die einander überschneiden,
erzeugt wird.
-
Die
Phasenplatte 14 wird von dem Motor 15 gedreht.
Dann wird ein Phasenplattenmuster auf dem parallelen Lichtstrahl
zwischen der Linse 6 und der Linse 7 verändert. Im
Zusammenhang damit wird ein Beugungsmuster des Lichts ebenfalls
verändert, und
ein ein Bild erzeugendes Muster, um ein Bild auf der Endfläche der
optischen Faser 8 zu erzeugen, wird auch über einen
Zeitraum verändert.
Durch die Veränderung
des ein Bild erzeugenden Musters wird der Lichtinterferenzzustand
der optischen Faser 8 verändert, und das Specklemuster
am Austrittsende der optischen Faser 8 wird auch mit der
Zeit verändert.
-
Demzufolge
wird das in 6 und 7 gezeigte
Specklemuster mit der Zeit verändert.
Durch Mitteln des Wellenmusters im Bezug auf die Zeit, kann das
Specklemuster beseitigt werden. Der Abstand der Vertiefungen und
der Erhebungen der Phasenplatte 14 beträgt „d". Somit ist ein Beugungswinkel m-ter
Ordnung θm
wie folgt gegeben: θm = m × (λ/d)
-
Demzufolge
wird ein Beugungsbild m-ter Ordnung auf der Endoberfläche der
optischen Faser 11 in einem vorgegebenen Bereich erzeugt.
Wenn die Phasenplatte 14 gedreht wird, werden verschiedene
Typen von Bildmustern in einem vorgegebenen Bereich erzeugt. Folglich
kann Mischung mit hoher Effizienz durchgeführt werden.
-
Nunmehr
wird das Lichtmengen-Justiermittel 25 beschrieben.
-
Der
Laserstrahl, der als Entfernungsmessungs-Licht 19, das
von dem Halbleiterlaser 5 ausgestrahlt wird, dient, wird
von dem Teilungsprisma 21 geteilt, und ein Teil des Laserstrahls
wird zu dem inneren Referenzlicht 22 abgeteilt. Wie später beschrieben,
berechnet der Entfernungsmessungsschaltkreis 4 eine Entfernung
zu einem zu messenden Objekt, indem der Phasenunterschied zwischen dem
Entfernungsmessungs-Licht 19 und dem inneren Referenzlicht 22 ermittelt
wird.
-
Bei
dem reflektierten Entfernungsmessungs-Licht 19', das von dem
zu messenden Objekt reflektiert wird, wird die Lichtmenge in Abhängigkeit von
der Entfernung zu dem zu messenden Objekt erheblich verändert, während das
innere Referenzlicht 22 die Lichtmenge auf gleich bleibendem
Niveau aufweist. In diesem Zusammenhang ist es sehr schwierig, eine
automatische Verstärkungsregelung
durch einen elektronischen Schaltkreis im Hinblick auf ein Empfangssignal
mit einem hohen dynamischen Bereich durchzuführen, und ein Fehler bei der
Entfernungsmessung wird auch verstärkt. Aus diesem Grund wird
das Lichtmengen-Justiermittel 25 zum Zweck, die Lichtmengen
des reflektierten Entfernungsmessungs-Lichts 19' und des inneren
Referenzlichts 22 auf annähernd dem gleichen Niveau zu halten,
vorgesehen.
-
Unten
wird die Lichtmengen-Justierplatte 23 beschrieben, die
das Lichtmengen-Justiermittel 25 darstellt
und unter Bezug auf 11 als ein variabler Dichtefilter
arbeitet.
-
Die
Lichtmengen-Justierplatte 23 weist einen Entfernungsmessungs-Licht-Dichtefiltersektor 23a in einer
Ringartigen Form und einen inneren Referenzlicht-Dichtefiltersektor 23b, der
konzentrisch auf der Innenseite des Entfernungsmessungs-Licht-Dichtefiltersektor 23a geformt
ist, auf. Auf dem Entfernungsmessungs-Licht-Dichtefiltersektor 23a wird
die Dichte schrittweise in einer Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn
erhöht.
Auf dem inneren Referenzlicht-Dichtefiltersektor 23b wird
die Dichte schrittweise in einer Richtung im Uhrzeigersinn erhöht, d.h.
in einer Richtung entgegengesetzt zum Entfernungsmessungs-Licht-Dichtefiltersektor 23a.
-
Die
Lichtmenge des reflektierten Entfernungsmessungs-Lichts 19', das von dem
Photodetektorelement 35 empfangen wird, kann mit der des inneren
Referenzlichts 22 durch Erhöhen der Dichte des Entfernungsmessungs-Licht-Dichtefiltersektors 23a und
durch Unterdrücken
der Lichtmenge, falls sich das zu messende Objekt in kurzer Entfernung befindet,
und Unterdrücken
der Lichtmenge des inneren Referenzlichts 2 durch den inneren
Referenzlicht-Dichtefiltersektor 23b,
fall sich das Objekt in großer
Entfernung befindet, angeglichen werden.
-
Als
Nächstes
wird das optische Strahlengang-Schaltmittel 36 beschrieben.
-
Wie
oben beschrieben gibt es zwei optische Strahlengänge in der optischen Entfernungsmessungseinheit 2:
einen Strahlengang des von dem zu messenden Objekt reflektierten
Entfernungsmessungs-Lichts 19' und einen Strahlengang des inneren Referenzlichts 22.
Das Photodetektorelement 35 muss die Laserstrahlen abwechselnd
in 2 optische Strahlengänge
einleiten.
-
Wie
in 12 gezeigt, besitzt die Strahlengang-Schaltplatte 31 Schlitze 31a und 31b,
jeder in gebogener Form. Das Zentrum eines Bogens von jedem dieser
Schlitze ist das gleiche wie das Rotationszentrum der Strahlengang-Schaltplatte 31.
Der Schlitz 31a befindet sich auf dem Strahlengang des reflektierten
Entfernungsmessungs-Lichts 19', und der Schlitz 31b befindet
sich auf dem Strahlengang des inneren Referenzlichts 22.
Die Schlitze sind so gestaltet, dass sie einander nicht überschneiden.
-
Wenn
die Strahlengang-Schaltplatte 31 von dem Strahlengang-Schaltmotor 32 reziprok
mit einem vorgegebenen Drehwinkel bewegt wird, ist es möglich, das
reflektierte Entfernungsmessungs-Licht 19' und das innere Referenzlicht 22 abwechselnd
in die Photodetektoreinheit 3 einzuleiten.
-
Der
Halbleiterlaser 5 strahlt einen gepulsten Laserstrahl aus.
Er hat relativ höhere
Energie und kann den gepulsten Laserstrahl mit einem Puls-Pausen-Verhältnis von
etwa 0,01% erzeugen.
-
Bei
dem vom Halbleiterlaser 5 ausgestrahlten Laserstrahl ist
das Specklemuster von dem Mischungsmittel 16 beseitigt,
und der Laserstrahl wird von dem Teilungsprisma 21 in das
Entfernungsmessungs-Licht 19 und das innere Referenzlicht 22 geteilt.
Dann wird die Lichtmenge von dem Lichtmengen-Justiermittel 25 eingestellt,
so dass die Lichtmenge des von dem Photodetektorelement 35 empfangenen
inneren Referenzlichts 22 der des reflektierten Entfernungsmessungs-Lichts 19' angeglichen wird.
Die Lichtmengen-Einstellung wird durch Auswahl der Rotationsposition
der Lichtmengen-Justierplatte 23 wie oben beschrieben durchgeführt.
-
Das
reflektierte Entfernungsmessungs-Licht 19' wird von dem zu messenden Objekt
reflektiert, tritt in das Lichtwellen-Entfernungsmessungssystem ein
und wird von dem Prisma 17 reflektiert. Das innere Referenzlicht 22 passiert
die Linsen 28 und 29. Von dem Strahlengang-Schaltmittel 36 wird
der in das Photodetektorelement 3 eintretende Laserstrahl aus
dem reflektierten Entfernungsmessungs-Licht 19' und dem inneren
Referenzlicht 22 ausgewählt. Bei
dem optischen Strahlengang-Schaltvorgang wird die Strahlengang-Schaltplatte 31 wie
oben beschrieben mit einem vorgegebenen Winkel reziprok gedreht.
Wenn das reflektierte Entfernungsmessungs-Licht 19' den Schlitz 31a passiert,
tritt das Entfernungsmessungs-Licht in das Photodetektorelement 35 ein.
Wenn das innere Referenzlicht 22 den Schlitz 31b passiert,
tritt das innere Referenzlicht 22 in das Photodetektorelement 35 ein.
-
Die
Entfernung zu dem zu messenden Objekt wird auf der Grundlage der
Differenz zwischen dem Emissionszeitpunkt des Impulsstrahls und
dem Zeitpunkt, wenn der Impulsstrahl von dem Photodetektorelement 35 empfangen
wird, nachdem das Entfernungsmessungs-Licht 19 von dem
zu messenden Objekt reflektiert wird, bestimmt.
-
Das
Lichtwellen-Entfernungsmessungssystem verwendet eine hohe Anzahl
elektronischer Bauteile, und die Verzögerungszeit wird wahrscheinlich von
den Faktoren, wie Temperatur, beeinflusst. So kann Instabilität innerhalb
des Lichtwellen-Entfernungsmessungssystem
auftreten. Aus diesem Grund wird die Messung für das Entfernungsmessungs-Licht 19 und
auch für
das innere Referenzlicht 22 durchgeführt. Durch Herausfinden der
Differenzen der gemessenen Werte ist es möglich, instabile Elemente in
dem Lichtwellen-Entfernungsmessungssystem zu beseitigen und die
Genauigkeit der Entfernungsmessung zu verbessern.
-
Für die Entfernungsmessung
wird der Impulslaserstrahl nicht notwendigerweise verwendet. Der
Laserstrahl kann in moduliertes Licht umgewandelt werden. Das reflektierte
Entfernungsmessungs-Licht 19' und
das innere Referenzlicht 22 können abwechselnd empfangen
werden. Die Entfernung kann durch Messung der Phasendifferenz des modulierten
Lichts gemessen werden.
-
Das
Mischungsmittel 16, das Lichtmengen-Justiermittel 25 und
das Strahlengang-Schaltmittel 36 sind
alle, wie oben beschrieben, in einer Weise gestaltet, dass eine
Scheibe zur Abschirmung des optischen Pfades von einem Motor gedreht
wird. Jedoch wird sowohl bei der Phasenplatte 14, der Lichtmengen-Justierplatte 23 als
auch bei der Strahlengang-Schaltplatte 31 jeweils ein Teil
auf nur einer Seite von dem Rotationszentrum verwendet. Damit die
Linsen 6 und 7 nicht den Mischungsmotor 15 beeinträchtigen,
damit der Lichtmengen-Justiermotor 24 nicht das Teilungsprisma 21 beeinträchtigt,
und damit der optische Schaltmotor 32 nicht das Teilungsprisma 27 beeinträchtigt,
müssen
sowohl die Phasenplatte 14, die Lichtmengen-Justierplatte 23 und die
Strahlengang-Schaltplatte 31 jeweils einen ausreichend
großen
Durchmesser aufweisen. Aus diesem Grund wird ein großer, nicht
genutzter Raum benötigt,
um den nicht in Verwendung befindlichen Teil der Scheibe aufzunehmen,
und das war ein Hindernis dafür,
das Lichtwellen-Entfernungsmessungssystem in einer kompakten Größe zu gestalten.
-
Die
Europäische
Patentanmeldung
EP 0957375
A2 ist ein Beispiel für
ein solches herkömmliches
Entfernungsmessungsgerät,
bei dem eine motorgetriebene Scheibe Verwendung findet, um das Lichtgleichgewicht
zwischen den Referenz- (ausgestrahlten) und reflektierten (empfangenen)
Strahlengängen
einzustellen. Die zwei Strahlgänge
treffen auf verschiedene Bereiche einer drehbaren Scheibe auf, um
zu ermöglichen,
einen ausgewählten
der Strahlengänge
einstellbar abzuschwächen,
ohne den nicht ausgewählten
Gang abzuschwächen.
-
Das
US-Patent 4470698 erläutert
ein in einem Flugzeug verwendetes Kollisionsschutz-Radarsystem, bei
dem ein Infrarot-Laserstrahl ein Gebiet vor einem Flugzeug abtastet
und die Reflektionen verwendet werden, um Hindernisse zu erkennen.
Abtasten wird unter Verwendung von mindestens einem optischen Keil,
der in der Hohlwelle eines Elektromotors befestigt ist, ausgeführt. Aufgrund
der Notwendigkeit einer äußerst genauen
Kenntnis der Winkelposition der Welle ist der Rotor mit einer Wellencodierscheibe,
die sich radial über
den Rotor hinaus erstreckt, ausgerüstet. Die Erläuterung
dieser Erfindung ist darauf gerichtet, die von dem Wellencodierer erzielbare
Winkelauflösung
zu verbessern, und erläutert
die Entfernungsmessung als solche nicht.
-
Außerdem sind
schnelle Drehung und Reaktion für
die Phasenplatte 14, die Lichtmengen-Justierplatte 23 und
die Strahlengang-Schaltplatte 31 erforderlich. Wenn schnelle Drehung
und Reaktion erforderlich sind, ist es vorzuziehen, dass das Drehmoment
bei der Phasenplatte 14, der Lichtmengen-Justierplatte 23 und
der Strahlengang-Schaltplatte 31 jeweils niedriger ist.
Jedoch ist das Drehmoment proportional zu einem Quadrat eines Durchmessers. Wenn
die Durchmesser der Phasenplatte 14, der Lichtmengen-Justierplatte 23 und
der Strahlengang-Schaltplatte 31 vergrößert werden, wird das Drehmoment
extrem erhöht.
Aus diesem Grund ist ein Motor mit hoher Kapazität erforderlich und das heißt, dass
Verbrauchsenergie erhöht
wird.
-
Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Lichtwellen-Entfernungsmessungssystem
von kleiner Größe und mit
niedrigem Energieverbrauch vorzusehen, das ein Mischungsmittel,
ein Lichtmengen-Justiermittel und ein Strahlengang-Schaltmittel von
kleinen Größen und
mit einfachem Aufbau aufweist.
-
Um
das oben genannte Ziel zu erreichen, weist das Messsystem entsprechend
der vorliegenden Erfindung eine Lichtprojektionseinheit zum Projizieren
eines Entfernungsmessungs-Lichts, eine optischen Entfernungsmessungseinheit
zum Projizieren des Entfernungsmessungs-Lichts auf ein zu messendes
Objekt und zum Empfangen des von dem zu messenden Objekt reflektierten
Entfernungsmessungs-Lichts, eine Photodetektoreinheit zum Empfangen
des reflektierten Entfernungsmessungs-Lichts von der optischen Entfernungsmessungseinheit
und einen Entfernungsmessungsschaltkreis für das Berechnen der Entfernung
zu dem zu messenden Objekt auf der Grundlage eines Photodetektorsignal
von der Photodetektoreinheit auf, und ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Lichtprojektionseinheit ein Mischungsmittel für das Mischen
des Entfernungsmessungs-Lichts aufweist und die optische Entfernungsmessungseinheit
ein Strahlengang-Schaltmittel aufweist, um das Entfernungsmessungs-Licht
zu einem äußeren Strahlengang
oder zu einem inneren Referenz-Strahlengang
umzuschalten, und um es der Photodetektoreinheit zu ermöglichen,
das Licht zu empfangen, und ein Lichtmengen-Justiermittel für das Einstellen
einer Lichtmenge des von der Photodetektoreinheit empfangenen Entfernungsmessungs-Lichts
aufweist, wobei mindestens eines von Mischungsmittel, Strahlengang-Schaltmittel
und Lichtmengen-Justiermittel einen Hohltypmotor als Antriebsquelle
aufweist und ein Hohlraum des Motors ein Strahlengang ist. Die vorliegende
Erfindung stellt auch das wie oben beschriebene Messsystem bereit,
wobei mindestens eines der bei dem Mischungsmittel, dem Strahlengang-Schaltmittel
und dem Lichtmengen-Justiermittel verwendeten optischen Bauteile
in dem Hohlraum vorgesehen ist, und es ein Motorsteuerungsmittel
für das
Steuern des Motors gibt, so dass die optischen Bauteile die notwendigen
Rotationsmengen aufweisen können.
Außerdem
stellt die vorliegende Erfindung das wie oben beschriebene Messsystem
bereit, wobei das Entfernungsmessungs-Licht ein Laserstrahl ist,
der Motor mit einer Hohlwelle und dem auf der Hohlwelle angeordneten
optischen Mischmittel vorgesehen ist und das optische Mischmittel
von dem Motor gedreht wird. Die vorliegende Erfindung sieht auch
das wie oben beschriebene Messsystem vor, wobei das Entfernungsmessungs-Licht
ein Laserstrahl ist, der Motor mit einer Hohlwelle und dem auf der
Hohlwelle angeordneten Lichtmengen-Justiermittel vorgesehen ist
und das Lichtmengen-Justiermittel durch
den Motor gedreht wird und die Lichtmenge des Laserstrahls eingestellt
wird. Außerdem
sieht die vorliegende Erfindung das wie oben beschriebene Messsystem
vor, wobei das Entfernungsmessungs-Licht ein Laserstrahl ist, der
Motor mit einer Hohlwelle und dem auf der Hohlwelle angeordneten, optischen
Strahlengang-Schaltbauteil vorgesehen ist, und das optische Strahlengang-Schaltbauteil
von dem Motor gedreht wird und der Strahlengang des Laserstrahls
umgeschaltet wird.
-
Ausführungsformen
der Erfindung werden jetzt anhand von Beispielen mit Bezug auf die
Zeichnungen beschrieben, von denen:
-
1 ein
schematisches Diagramm ist, das eine Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt;
-
2 eine
Querschnittsansicht eines Hohltypmotors ist, der bei dieser Ausführungsform
verwendet wird;
-
3 eine
Perspektivansicht eines Mischungsmittels ist, das den Hohltypmotor
verwendet;
-
4 eine
Perspektivansicht in zerlegter Anordnung des Mischungsmittels ist;
-
5 ein
schematisches Diagramm eines herkömmlichen Systems ist;
-
6(A) und 6(B) jeweils
Diagramme darstellen, die Veränderungen
eines Lichtemissionszustandes eines Halbleiterlasers über einen
Zeitraum zeigen;
-
7 eine
Zeichnung ist, um den Zustand eines Specklemusters (Unebenheit der
Wellenform) in dem Laserstrahl zu erläutern;
-
8 eine
Querschnittsansicht einer Phasenplatte ist;
-
9 eine
Draufsicht auf die Phasenplatte ist;
-
10 eine
Zeichnung ist, um einen Mischungszustand zu erläutern, wenn die Phasenplatte verwendet
wird;
-
11 eine
Zeichnung ist, um einen Lichtmengen-Justierplatte zu erläutern; und
-
12 eine
Zeichnung ist, um eine Strahlengang-Schaltplatte zu erläutern.
-
1 zeigt
ein optisches System eines Lichtwellen-Entfernungsmessungssystems
entsprechend der vorliegenden Erfindung. In der Figur werden die
gleichen Bauteile, die in 5 gezeigt
werden, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
-
Das
optische System weist in erster Linie eine Lichtprojektionseinheit 1,
eine optische Entfernungsmessungseinheit 2, eine Photodetektoreinheit 3 und
einen Entfernungsmessungsschaltkreis 4 auf.
-
Die
Lichtprojektionseinheit 1 weist einen Halbleiterlaser 5 für die Emission
eines Laserstrahls, einen optischen Expander 9, um den
von dem Halbleiterlaser 5 ausgestrahlten Laserstrahl über Linsen 6 und 7 in
eine optischen Faser 8 einzuleiten, ein zwischen der Linse 6 und
der Linse 7 vorgesehenes Mischungsmittel 40 und
Gradientenindexlinsen 12 und 13, um den von der
optischen Faser 8 projizierten Laserstrahl in eine optischen
Phase 11 nach Veränderung
das Positionswinkels einzuleiten, auf.
-
Unten
wird das Mischungsmittel 40 unter Bezug auf 2 bis 4 beschrieben.
-
Ein
Gehäuse 45 in
einer zylindrischen Form ist koaxial mit einer optischen Achse der
Lichtprojektionseinheit 1 vorgesehen. Eine starre Hohlwelle 51 ist
durch eine Flanscheinheit 51a auf dem Gehäuse 45 befestigt
und in diese integriert, und ein zylindrischer Raum ist zwischen
dem Gehäuse 45 und
der starren Hohlwelle 51 definiert. Ein Rotationszylinder 48 ist
in dem Raum enthalten und in der starren Hohlwelle 51 über ein
Lager 50 drehbar im Eingriff. Das Gehäuse 45 weist einen
Flansch 46 auf, und es ist auf einem Bauteil (nicht gezeigt)
des Lichtwellen-Entfernungsmessungssystem durch den Flansch 46 befestigt.
-
Auf
einer inneren zylindrischen Oberfläche des Gehäuses 45 sind Spulen 53 in
einem vorgegebenen Abstand in einer Umfangsrichtung befestigt. Mit
den Spulen 53 verbundene Leitungsdrähte 55 sind zwischen
den Flansch 46 und eine Flanscheinheit 51a geführt und
verlängert
und mit einer Steuereinheit (nicht gezeigt) verbunden.
-
Auf
einer äußeren zylindrischen
Oberfläche des
Rotationszylinders 48, sind Magnete 54 in einem vorgegebenen
Abstand in Umfangsrichtung angebracht, so dass die Magnete den Spulen 53 gegenüberliegen.
In dem Rotationszylinder 48 ist ein innerer Kragen 48a an
einer Position angebracht, so dass sie die starre Hohlwelle 51 nicht
beeinträchtigt,
und eine Phasenplatte 14 wird auf dem inneren Kragen 48a in der
Weise angebracht, dass sie die optische Achse der Lichtprojektionseinheit 1 quert.
Die Phasenplatte 14 weist den gleichen Aufbau wie die in 8 und 9 gezeigte
Phasenplatte auf.
-
Elektrischer
Strom wird den Spulen 53 über die Leitungsdrähte 55 zugeführt, und
der Rotationszylinder 48 wird gedreht. Die Phasenplatte 14 wird
in Bezug auf den Laserstrahls gedreht, und ein Specklemuster in
dem von dem Halbleiterlaser 5 ausgestrahlten Laserstrahl
wird beseitigt.
-
Das
heißt,
das Mischungsmittel 40 ist ein Hohltypmotor 56,
der das Gehäuse 45,
den Rotationszylinder 48, die starre Hohlwelle 51,
die Spulen 53 und die Magnete 54 aufweist, und
die Phasenplatte 14 ist in einer Art vorgesehen, dass der
hohle Bereich abgedeckt wird.
-
Nunmehr
wird die optische Entfernungsmessungseinheit 2 beschrieben.
-
Auf
der optischen Achse des eingehenden und ausgehenden Entfernungsmessungs-Lichts
sind ein Prisma 17 und eine Objektivlinse 18 angeordnet. Mit
dem Prisma 17 im Zentrum ist ein Lichtmengen-Justiermittel 41 auf
einer optischen Achse des in das Prisma 17 eintretenden,
einfallenden Lichts angeordnet, und ein Strahlengang-Schaltmittel 42 ist auf
einer optischen Achse des Reflektionslichts von dem Prisma 17 angeordnet.
Außerdem
ist ein Teilungsprisma 21 an der Eintrittsseite des Lichtmengen-Justiermittels 41 angeordnet,
und ein Teilungsprisma 27 ist an einer Austrittsseite des
Strahlengang-Schaltmittels 42 angeordnet, und diese Bauteile
bilden die optische Entfernungsmessungseinheit 2.
-
Die
Photodetektoreinheit 3 weist eine optische Faser 26 für das Leiten
des von dem Teilungsprisma 27 projizierten Laserstrahls
zu einem Photodetektorelement 35, und Kondensorlinsen 33 und 34 zum
Konvergieren des Laserstrahls zu dem Photodetektorelement 35,
auf.
-
Der
Entfernungsmessungsschaltkreis 4 steuert den Halbleiterlaser 5 zum
Ausstrahlen des Lichts an, und eine Entfernung zu einem zu messenden
Objekt wird auf der Grundlage eines Photodetektorsignals von dem
Photodetektorelement 35 berechnet.
-
Das
Lichtmengen-Justiermittel 41 weist einen Hohltypmotor 57 auf,
der den gleichen Aufbau wie der bei dem Mischungsmittel 40 verwendete Hohltypmotor 56 aufweist,
und die Lichtmengen-Justierplatte 23 ist so angeordnet,
dass sie den hohlen Bereich des Hohltypmotors 57 abdeckt.
Die Lichtmengen-Justierplatte 23 besitzt den gleichen Aufbau wie
in 11 gezeigt.
-
Das
Teilungsprisma 21 teilt den von der optischen Faser 11 projizierten
Lichtstrahl in ein Entfernungsmessungs-Licht 19 und ein
inneres Referenzlicht 22. Das Entfernungsmessungs-Licht 19 passiert einen
peripheren Bereich der Lichtmengen-Justierplatte 23, d.h.
einen Entfernungsmessungs-Licht-Dichtefiltersektor 23a.
Das innere Referenzlicht 22 passiert einen Bereich innerhalb
der Ausstrahlungsposition des Entfernungsmessungs-Lichts 19,
d.h. einen inneren Referenzlicht-Dichtefiltersektor 23b.
-
Das
Strahlengang-Schaltmittel 42 weist einen Hohltypmotor 58 auf,
der den gleichen Aufbau wie der Hohltypmotor 56 aufweist,
und die Strahlengang-Schaltplatte 31 wird vorgesehen, den
hohlen Bereich des Hohltypmotors 58 abzudecken. Die Strahlengang- Schaltplatte 31 weist
den gleichen Aufbau wie eine in 12 gezeigte
auf. Ein von dem Prisma 17 reflektiertes Entfernungsmessungs-Licht 19' passiert einen
Schlitz 31a auf einem peripheren Bereich der Strahlengang-Schaltplatte 31.
Das innere Referenzlicht 22 passiert einen Schlitz 31b auf
einem inneren Bereich der Strahlengang-Schaltplatte 31.
-
Während der
Halbleiterlaser 5 von dem Entfernungsmessungsschaltkreis 4 angetrieben
wird, wird der elektrische Strom dem Hohltypmotor 56 über die
Leitungsdrähte 55 zugeführt und
der Hohltypmotor 56 dreht die Phasenplatte 14.
Das Specklemuster wird durch das Drehen der Phasenplatte 14 und durch
die Gradientenindexlinsen 12 und 13 beseitigt. Der
von der optischen Faser 11 projizierte Laserstrahl wird
durch das Teilungsprisma 21 in das Entfernungsmessungs-Licht 19 und
das innere Referenzlicht 22 geteilt. In Abhängigkeit
von der Entfernung des zu messenden Objekts und dem Reflektionszustand
des Entfernungsmessungs-Lichts 19 und des inneren Referenzlichts 22 von
dem zu messenden Objekt dreht der Hohltypmotor 57 die Lichtmengen-Justierplatte 23,
und die Rotationsposition der Lichtmengen-Justierplatt 23 wird
in der Weise ausgewählt,
dass die empfangenen Lichtmengen an dem Photodetektorelement 35 die
gleichen sein werden.
-
In
einem vorgegebenen Zeitintervall wird die Strahlengang-Schaltplatte 31 von
dem Hohltypmotor 58 in normale oder in entgegen gesetzte
Richtung gedreht. Demzufolge werden das in die Photodetektoreinheit 3 eingehende
reflektierte Entfernungsmessungs-Licht 19' und das innere Referenzlicht 22 abwechselnd
umgeschaltet.
-
Wie
oben beschrieben wird in dem Entfernungsmessungsschaltkreis 4 eine
Entfernung zu dem zu messenden Objekt auf der Grundlage eines Photodetektorsignals
des von dem Photodetektorelement 35 empfangenen reflektierten
Entfernungsmessungs-Lichts 19' und des inneren Referenzlichts 22 berechnet.
-
Wie
oben beschrieben werden die Phasenplatte 14, die Lichtmengen-Justierplatte 23 und
die Strahlengang-Schaltplatte 31 von den Hohltypmotoren 56, 57 und 58 gedreht,
und der Laserstrahl passiert den hohlen Bereich jedes dieser Motoren.
Dementsprechend können
die Rotationszentren der Phasenplatte 14, der Lichtmengen-Justierplatte 23 und der
Strahlengang-Schaltplatte 31 annähernd der
optischen Achse des Laserstrahls angeglichen werden. Daher kann
die gesamte Fläche
der Phasenplatte 14, der Lichtmengen-Justierplatte 23 und
der Strahlengang-Schaltplatte 31 jeweils
effizient genutzt werden. Das trägt
zu einer weit reichenden Reduzierung der Größe eines jeden Bauteils bei.
-
Das
von dem Hohltypmotor gedrehte und bewegte Bauteil ist nicht auf
die Bauteile, wie etwa die Phasenplatte 14, die Lichtmengen-Justierplatte 23, die
Strahlengang-Schaltplatte 31, etc., beschränkt, und
es kann ein beweglicher Teil eines Fokussiermechanismus sein. Die Verwendung
des Hohltypmotors ermöglicht
es, die Verwendung von Bauteilen, wie etwa eines Getriebemechanismus
zur Übertragung der
Energie zwischen einem Rotor oder beweglichen Teil und dem Motor,
zu vermeiden, und das trägt
zu einer kompakteren Gestaltung des Aufbaus bei.
-
Entsprechend
der vorliegenden Erfindung kann die Rotationswelle des Motors für das Drehen der
für die
Entfernungsmessung notwendigen Bauteile koaxial mit der optischen
Achse angeordnet werden. Das ermöglicht,
die Größe eines
jeden Bauteils weitgehend zu reduzieren und auch das Drehmoment
des drehenden Teils zu verringern. Demzufolge kann die spezifische
Empfindlichkeit durch einen Motor kleiner Größe erhöht werden. Die Bauteile und
der Motor können
in kleineren Größen gestaltet
werden, und das führt
zu einer erfolgreichen Gestaltung des Lichtwellen-Entfernungsmessungssystems
in einer kompakteren Größe und einem
Aufbau mit geringem Gewicht bei.