DE8518594U1

DE8518594U1 - Wobbelseparator an Laser-Entfernungsmessern

Info

Publication number: DE8518594U1
Application number: DE8518594U
Authority: DE
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 1985-06-27
Filing date: 1985-06-27
Publication date: 1985-11-28
Also published as: US4690550A

Description

Wobbeiseparator an Laser-Entfernungsmessern

D-e Neuerung betrifft einen Laser-Entfernungsmesser mit einem für das von einer Lichtquelle ausgehende Sendestrahlenbündel und das von einem Ziel reflektierte Empfangsstrahlenbündel gemeinsamen Teleskop.

Mit Loser-fcntfernungsmessern bestimmt man die Entfernung zwischen einem Meß- und einer Zielstation durch Messen der Zeit, die das Licht eines Lasers-Impulses von bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit benötigt, um die Strecke zwischen diesen beiden Stationen zurückzulegen. Dubei wird vorausgesetzt, daß das Ziel mit einem Retroreflektor ausgestattet ist, der das Licht des Laser-Impulses in die Einfallsrichtung rückreflektiert und daß die Meßstation so ausgebildet ist, daß das emittierende Lichtbündel optisch vom empfangenen Bündel getrennt werden kann.

Es ist bekannt, hierfür zwei getrennte Ssnde- und Empfangsteleskope oder Strahlenteiler zu verwenden. Nachteilig dabei ist, daß bei sehr großen Zielentfernungen, z.B. bei Entfernungsmessungen zu Satelliten, die große Zielentfernung hohe Anforderungen an die Richtgenauigkeit der Meßstation stellt und die Verwendung getrennter Sende- und Empfangs-■Pernrohre wegen der Mißweisung ihrer optischen Achse schwierig macht. Außerdem machen die hohen Energieverluste bei großen Zielentfernungen die Verwendung der üblichen Methoden der physikalischen Strahlenteilung (halbdurchlässige Spiegel) zur Trennung von Sende- und Empfangsbündel praktisch unmöglich.

Deshalb he t sich bei sehr großen Zielentfernungen ein Stand der Technik herausgebildet, bei dem ein einziges, meist ziemlich großes Teleskop für Senden und Empfangen und ein grorr..-'trisches Separationsverfahren für die beiden Bündel verwendet worden. Das Separat ionsverfahren besteht darin, daß ein mit einem Loch oder mehreren Löchern versehener rotierender Spiegel schräg in den Strahlengang des lasers gestellt wird und daß seine Rotationsbewegung so gesteuert wird, daß bei einem Laserschuß der Laserstrahl gerade eines der Löcher passiert und der zurückkehrende Empfangsstrahl auf die reflektierende Fläche des rotierenden Spiegels trifft» Von dort wird der Strahl in die Empfängereinfichtuhg gelenkt. Nachteilig,bei diesem Verfahren ist,, daß die Drehzahl des

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Spiegels sehr genau mit der Laserfrequenz synchronisiert werden muß, weil eine Zerstörung des Spiegels eintritt* wenn der Laserstrahl mit seiner hohen Energiedichte auf den Spiegel selbst trifft. Eine Aufwei^ tung des Laserstrahles zur Verringerung der Energiedichte kann diesem Nachteil nicht abhelfen, weil dann auch der Lochdurchmesser entsprechend vergrößert werden muß. Dies bedingt wiederum eine Vergrößerung der Lineargeschwindigkeit, weil dem reflektierten Strahl wieder eine volle Spiegelfläche zur Verfügung gestellt werden muß, und erschwert dadurch die Synchronisation. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die Rotation des Spiegels nur mit großem Aufwand so gleichmäßig zu verwirklichen ist, daß keine Erschütterungen auf die Aperatur übertragen werden.

Der Neuerung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, bei einem Laser-Entfernungsmesser die Nachteile der rotierenden Lochscheibe zu vermeiden und dennoch die Vorteile eines für Senden und Empfangen gemeinsamen Fernrohres auszuschöpfen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß zur Trennung der genannten Strahlenbündel zwischen der Laserlichtquelle und dem Teleskop ein Keplersches Fernrohr und ein wobbelbarer Spiegel angeordnet sind, und daß in der reellen Bildebene des Keplerschen Fernrohres ein fester Umlenkspiegel vorgesehen ist, der so dicht neben dem Laserfokus angeordnet ist, daß er diesen gerade nicht abschattet und der das vom TeIeskop zurückkehrende Empfangsbündel in der ausgelenkten Stellung des Wobbeispiegels der Empfangseinrichtung der Entfernungsmeßanlage zuleitet.

Unter "Wobbein" ist in diesem Zusammenhang die periodische Verschiebung der Zielachse eines optischen Systems um einen bestimmten Winkel, bzw. um einen linearen Betrag im Fokus eines Fernrohres zu verstehen. Diese Technik ist aus astronomischen Beobachtungen im infraroten Spektralbereich bekannt.

Zweckmäßigerweise sind die beiden Objektive des Keplerschen Fernrohres so dimensioniert, daß die Austrittsöffnung des Lasers geometrisch-optisch verlustfrei auf die Pupille des Teleskopes abgebildet wird. Da-

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durch können geometrisch-optische Energieverluste durch Vigriettierung der Lichtbüridei im Strahlengang des Fernrohres völlig vermieden werden.

In einer vorteilhaften Ausführung der Neuerung wird der Spiegel in der Bildebene des Keplerschen Fernrohres mit einer scharfen Kante (Messerschneide) auf der dpm Laserfokus zugewandten Seite ausgestattet. Diese Messerschneide erlaubt eine optische Fokussierung des Fernrohres auf die Bildebene, indem das Teleskop auf einen geeigneten Stern gerichtet wird, der auf der Laserseite des Fernrohres durch ein entsprechendes Okular beobachtet werden kann. Diese sogenannte Foucaultische Schneidemethode ist einfach und hochempfindlich zur genauen Bestimmung des Fokus, und die Fokussierung wiederum ist Voraussetzung für die Effektivität und die Reichweite einer Laser-Entfernungs-Meßstation .

Da bei Verwendung von Hochenergielasern die Gefahr eines "Luftdurchschlages" besteht, wobei eine Jonisationslawine von Luftmolekiilen entsteht, wird vorgeschlagen, das Keplersche Fernrohr als Rezipient einer Vakuumanlage auszubilden und die optischen Glieder vakuumdicht auf dem Tubus des Keplerschen Fernrohres aufzusetzen.

Die mit der Neuerung erzielten Vorteile bestehen insbesondere in der Vermeidung von Energieverlusten, da weder das emittierte noch das reflektierte Bündel einen Energieverlust durch optische Elemente (Reflektion, Absorption, Streulicht) erleidet, der sich nicht schon zwingend aus der Übertragung des Laser-Impulses vom Laser auf das Teleskop bzw. vom Teleskop auf die Empfangseinrichtung ergibt. Ein weiterer Vorteil liegt in der genauen Abbildung der Eintrittspupille des Fernrohres auf die Emissionsöffnung des Lasers, was bei den nach dem Stand der Technik verwendeten Huygenschen Fernrohres nicht möglich ist.

Zudem erlaubt die Einführung des reellen Fokus im Keplerschen Fernrohr auf kleinstem Verschiebeweg eine Separation von Sende- und Empfangsbündel. Das bedeutet einen minimalen Kippwinkel E12 des Wobbeispiegels und damit eine kleinstmögliche Schaltzeit zwischen den Stellungen "Senden" und "Empfangen". Dies wiederum ermöglicht die Ausmessung von Satelliten im Bereich von nur einigen 100 km Flughöhe. Als weiterer Vorteil ist zu nennen, daß die Synchronisation mit der Schußfolge des

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Ldserä problemlos möglich ist, da das Umkippen des Wobbeispiegels von ein£r zur anderen Winkelstellung unmittelbar nach dem emittierten bzw, empfangenen Laser-Impuls erfolgt ohne Rücksicht darauf, wieviel Zeit dazwischen vergeht. Es gibt für die maximal zulässige Kippzeit von Stellung "Senden" auf "Empfangen" lediglich eine obere Grenze, die von der Entfernung der Zielstation abhängt. Für Satelliten liegt diese Zeit bei wenigen Millisekunden, die mit Wobbelspiegeln erreicht wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Neuerung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Die einzige Figur zeigt eine Prinzipdarstellung des Laser-Entfernungsmessers .

In der schematischen Prinzipdarstellung ist mit 1 ein Umlenkspiegel bezeichnet, der im Strahlengang zwischen der Laserlichtquelle 7 und dem Teleskop angeordnet ist, und der gewobbelt wird. Der Spiegel 1 ist um einen gewissen, wählbaren kleinen Winkel kippbar und zwar so, daß der Hauptstrahl 2 der Zielachse des Teleskopes nach Verlassen des Spiegels 1 um die Winkeldifferenz ζ gekippt ist. Mit dem Pfeil 3 ist ein Keplersches Fernrohr angedeutet, das zwischen seinen Gliedern 3a und 3b eine reelle Bildebene 6 besitzt. Das Fernrohr ist afokal aufgebaut, d.h. die Bildebene 6 liegt in den Brennpunkten des vorderen 3a und des hinteren 3b Gliedes des Fernrohres. Mit 7 ist die Austrittsöffnung des verwendeten Lasers bezeichnet. Das emittierte Laserlichtbündel tritt beim Glied 3Ain das Fernrohr ein, passiert als kollimierter Bildpunkt 6a die Bildebene 6 und verläßt das Fernrohr bei 3a wieder als Parallelbündel. Bei richtiger Justierung wird es durch den Wobbeispiegel 1 in die Zielachse des Fernrohres umgelenkt, wenn dieser Spiegel 1 die Wobbeistellung "Senden" einnimmt. Mit 8 ist ein Umlenkspiegel bezeichnet, der leicht geneigt in der Bildebene 6 liegt, jedoch lateral so verschoben ist, daß der Laserfokus 6a nicht abgeschattet wird. Die Verschiebung ist jedoch klein genug, daß die Zielachse 2 den Spiegel 8 im Fokus ob trifft, wenn der Wobbeispiegel 1 die Stellung "Empfangen" einnimmt. Mit 9 ist ein weiterer Umlenkspiegel bezeichnet, der aus praktischen Gründen eingeführt ist, um das vom Umlenkspiegel 8 kommende Licht auf die Eintrittslinse 10 einer Empfangseinrichtung zu lenken. Auch der Umlenkspiegel 9 ist so angeordnet, daß er das Loserbündel nicht abschattet.

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Die Stellung "Senden" des Wobbelspiegels 1 ist seine Ruhestellung. Wird ein Laserschuß ausgelöst, dann trifft das Läserbündel 7a über das hintere Glied 3b des Fernrohres, den köllimierten Bildpunkt 6a und das vordere Glied des Fernrohres 3a auf den Wobbelspiegel 1 und verläßt ihn in Richtung der Zielächse 2. Unmittelbar nach dem Laserschuß, dessen typische Dauer eine 1 ns bis 100 ns je nach Typ und Emissionsmodus betragen kann, wird der Wobbelspiegel 1 in die Stellung "Empfangen" gekippt, wobei die typische Kippdauer 1 bis-5 ms beträgt. Das vom Ziel reflektierte Laserbündel gelangt nun auf dem Weg über den Wobbelspiegel j, das vordere Fernrohrglied 3a, den Laserfokus 6b, die Umlenkspiegel 8 und 9 in die Eintrittslinse 10 der Empfangseinrichtung, in der das Eintreffen registriert und die Laufzeit gemessen wird. Ist der reflektierte Impuls registriert worden, dann wird der Wobbelspiegel 1 wieder in Stellung "Senden" zurückgekippt und bleibt in dieser Stellung, bis ein neuer Laser-Impuls gesendet wird.

Claims

Schutzansprüche:

1. Laser-Entfernungsmesser mit einem gemeinsamen Teleskop für das von einer Laserlichtquelle (7) ausgehende Sendestrahlenbündel (7a) und das von einem Ziel reflektierte EmpfangsstrahlenbOndel (7b), dadurch gekennzeichnet, daß zur Trennung der genannten Strahlenbündel (7a, 7b) zwischen der Laserlichtquelle (7) und dem Teleskop ein Keplersches Fernrohr (3) und ein wobbelbarer Spiegel (1) angeordnet sind urd daß in der reellen Bildebene (6) des Keplerschen Fernrohres (3) ein fester Umlenkspiegel (8) vorgesehen ist, der so dicht neben dem Laserfokus [6a) angeordnet ist, daß er diesen gerade nicht abschattet, und der das vom Teleskop zurückkehrende Empfangsbündel (7b) in der ausgelenkten Stellung des Wobbelspiegels (O einer Empfangseinrichtung (10) zuleitet.

Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Objektive (3a, 3b) des Keplerschen Fernrohres (3) so dimensioniert sind, daß die Austrittsöffnung des Lasers geometrischoptisch verlustfrei auf die Pupille des Teleskopes abgebildet wird.

Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feste Umlenkspiegel (8) in der Bildebene (6) des Keplerschen Fernrohres (3) als Messerschneide im Sinne der Foucaultschen Schneidemethode ausgebildet ist.

Laser-Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Keplersche Fernrohr (3) als Rezipient einer Vakuumanlage ausgebildet ist und seine optischen Glieder (3a, 3b) sowie die Empfangseinrichtung (10) vakuumdicht auf dem Fernrohr (3) aufliegen.