EP1730546A1 - Electronic distance meter featuring spectral and spatial selectivity - Google Patents

Electronic distance meter featuring spectral and spatial selectivity

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Publication number
EP1730546A1
EP1730546A1 EP05729624A EP05729624A EP1730546A1 EP 1730546 A1 EP1730546 A1 EP 1730546A1 EP 05729624 A EP05729624 A EP 05729624A EP 05729624 A EP05729624 A EP 05729624A EP 1730546 A1 EP1730546 A1 EP 1730546A1
Authority
EP
European Patent Office
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radiation
filter component
distance meter
spectral
fiber
Prior art date
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Ceased
Application number
EP05729624A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Bernhard Braunecker
Peter Kipfer
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Leica Geosystems AG
Original Assignee
Leica Geosystems AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Leica Geosystems AG filed Critical Leica Geosystems AG
Publication of EP1730546A1 publication Critical patent/EP1730546A1/en
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4818—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements using optical fibres
    • G—PHYSICS
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    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4811—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver
    • G01S7/4812—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements common to transmitter and receiver transmitted and received beams following a coaxial path

Definitions

  • the invention relates to an electronic rangefinder with spectral and spatial selectivity according to the preamble of claim 1.
  • a useful signal of the distance measurement must be obtained from a radiation background. Its intensity can be many times greater than the intensities of the useful signal. However, due to its properties, this useful signal can be separated from the background by spectral or spatially formed filters. In most cases, the measurement signal is emitted parallel or coaxial with the axis of the transmitter, so that the signal is reflected back from the most diffuse surface to be measured in the direction of the axis of the transmitter. In addition, the spectral range of the emitted light can be chosen so that the broadband background radiation can be separated by spectrally selective reflection or absorption.
  • a typical field of application of such rangefinders for airborne or space-based applications with LIDAR systems in which exclusively or in parallel with the recording of further sizes a distance measurement to objects or surfaces takes place and in which a large proportion of extraneous or interfering radiation is received.
  • Special requirements apply to systems used on board aircraft or spacecraft, as there are usually strict weight restrictions.
  • So a satellite, which scans the topography of a celestial body with LIDAR from a circumpolar orbit should be able to cope with the different conditions of the day and night side of a planet.
  • the tag side provides an extreme amount of background radiation, from which the LIDAR signal to be used has to be obtained.
  • Similar difficulties can also occur in earthy or airborne applications over strongly radiating or reflecting ground, such as ice, water or desert sand.
  • a multi-stage filtering concept with broadband spectral, narrow band and spatial filters is used.
  • the spectrally broad portion of the filters has two separate ultraviolet (UV) and infrared (IR) reflective filters.
  • the UV filter component consists of a dielectric multilayer coating on the outside facing side of the instrument aperture.
  • the filter component can, for example, as a layer a ZnSe plate in the aperture are mounted, with wavelengths below 600 nm are reflected without absorption, while higher wavelengths are transmitted without absorption.
  • Such filters are very complex, but technically feasible due to the restriction to one spectral range.
  • the IR filter component is downstream of the UV filter component and has a gold level which is non-absorbent for this wavelength band.
  • the ZnSe support material of the UV filter component in turn ensures absorption-free radiation transport between the two mirrors.
  • a spatial filter component is caused by the direct or indirect focusing of the radiation on the sensor used for the reception, wherein the sensor surface acts as a field stop.
  • the aperture effect can also be supplemented or replaced by a fiber upstream of the sensor.
  • the side of the ZnSe plate facing away from the outside can be suitably shaped, e.g. as a single lens or even lens arrangement.
  • the gold layer of the IR filter component is then arranged in or near the focal plane of the lens, so that in interaction any radiation incident outside the nadir direction is reflected.
  • the narrow-band spectral filter component is compact, eg as a Fabry-Perot interferometer or fiber grating, with a bandwidth of ⁇ 1 nm around the LIDAR wavelength, so that in the nadir direction any radiation outside this range is suppressed.
  • the useful radiation of the LIDAR system can be separated from the background radiation, heating being avoided by the reflection.
  • This 'thermal load' represents a critical and minimized size, especially for satellites, since the necessary cooling power has to be taken from the existing power supply.
  • recordings can also be made against strongly emitting surfaces, e.g. the daytime side of a solar planet, in particular without any special cooling devices, resulting in reductions in mass of approximately 1.3 kg.
  • the inside of the ZnSe plate can be designed as a 10 ⁇ 10 multilens array (lenslet array), so that a short focal length and thus a short design can be achieved with the same numerical aperture.
  • the lenses can direct the received radiation into the entrance opening of a downstream fiber, these fibers being guided to either a separate detector or to a common detector.
  • the narrow-band filter component can be arranged between the fiber end and the detector.
  • the connection and mechanical fixation of lens arrangement and fibers can be realized by a hexagonal, honeycomb-like structure of beryllium, so that at low weight resilient structures can be ensured.
  • a remaining disadvantage is the spatial distribution of transmitter and receiver components. Although a compact design is basically feasible by the embodiment shown, nevertheless separate transmitters and receivers have a different beam path and an offset of their axes. In addition, different types of components must be integrated into an array, resulting in increased engineering complexity and increased manufacturing effort. In addition, because of the available area, the powers of transmitter and receiver are limited, since an increase in the number or area of the transmit apertures reduces the receiver apertures.
  • the object of the invention is to provide a rangefinder, in particular for telescope systems, which is structurally simplified.
  • Another object is to provide a rangefinder with improved utilization of the available space, area and weight limits.
  • the invention relates to an electronic rangefinder with spectral and spatial selectivity, in particular for telescopic arrangements for earth- or space-based applications.
  • the fiber arranged downstream of the spectrally wideband filter components is formed by a fiber laser, which is used as a common component for transmitter and receiver.
  • light is generated by a pump laser and coupled into one of the end faces of the fiber laser.
  • the generated laser emission is used for the measurement and when receiving after passing through the broadband filter components back into the fiber laser, but now from the other end side ago, coupled and guided by this. Since pump and laser light have different spectral ranges, both portions can be separated from each other.
  • a time discrimination can be introduced, which takes into account the time delay through the finite duration of the lidar signal and back. After leaving the fiber laser, the reflected light is guided via the narrow-band filter component onto the sensor.
  • Fig.l show the schematic representation of the effect of broadband Fil erkomponenten
  • 2 shows the schematic representation of the interaction of the various components
  • FIG. 4 shows the schematic representation of the arrangement relationship for realizing a second embodiment according to the invention.
  • FIG. 2 shows the schematic representation of the interaction of the various other components.
  • the spatial filter component 6 which is designed here as a fiber. Equally, however, this effect can also be effected by a diaphragm or the limitation of a sensor surface.
  • the IR filter component 4 is shifted into the focus or fiber input, wherein the representation selected here is purely schematic and in particular the size ratios of fiber and IR filter component 4 are not shown exactly. Any radiation outside the nadir direction will be reflected by this arrangement.
  • the narrow-band filter component 7 As the third spectral filter component, which may be formed, for example, as a Fabry-Perot interferometer or a reflective grating structure.
  • the incident radiation S is separated with respect to its spectral and directional components, with a large part of the radiation being reflected in order to avoid or at least reduce the heating of the rangefinder.
  • other components of the beam path such as lenses, are omitted in this illustration.
  • FIG. 3 describes the schematic representation of a first embodiment according to the invention with the filter steps shown in FIG. 1 and FIG.
  • Incident radiation S is guided via the UV filter component 1, ZnSe plate 2 with the lens structure 2a and the IR filter component 4. After passing through this IR filter component 4, the radiation is coupled either into the multimode part of the fiber (case A) or via a microlens 5 into the active one Fiber core 6a for intensity amplification (case B).
  • the end of the fiber located at the detector end must be provided with an intensity stop 6b, but in case B with a fast switch, eg in the manner of a Q-switch.
  • the fiber laser has, for example, an active fiber core 6a of 4 micrometers in diameter, the multi-mode structure having a diameter of about 100 micrometers.
  • the received radiation S is guided through the fiber laser and finally guided to the sensor 11 via a first lens 8a, a dichroic beam splitter 10, the narrow-band filter component 7 and a second lens 8b.
  • the arrangement is also used for emitting the measuring radiation ES used for the measurement in parallel with this reception beam path.
  • a pumping light source 9 emits light which is transmitted through a third lens 8c. is collimated and coupled via the beam splitter 10 and the first lens 8a in the fiber laser.
  • the fiber laser on a receiver-side terminating element 6b, which covers the active fiber core 6a optically.
  • the measuring radiation ES generated by the fiber laser is brought into the beam profile desired for the emission via a telescope arrangement of microlens 5 and lens structure 2a.
  • the optical Fiber is thus operated in a forward mode of operation as a fiber laser in emission mode, whereas in a reverse mode of operation the fiber serves as a spatial filter component 6 'of the receiver.
  • FIG. Shown is purely schematically the arrangement relationship of the fibers for the realization of a second embodiment according to the invention.
  • the ZnSe plate 2 ' now has several lens structures. 2a 'read multi-lens array, each associated with a fiber as a spatial filter component 6'. Between each lens structure 2a 'and the associated fiber input, the IR filter component 4 is mounted. This can be formed separately as a continuous structure, but also for each fiber. For ease of illustration, other components, such as e.g. Microlenses, not shown. From each fiber measuring radiation ES is generated as a fiber laser, which in turn is emitted by means of the associated lens structure 2a '.
  • downstream components of the fibers can also be formed or used for each fiber separately or for all or several fibers together.
  • one fiber can be assigned to a single sensor.
  • Radiation of multiple fibers are passed to a common sensor.
  • multiple fibers may be pumped from a common light source or, as shown in FIG. 3, may have its own pumping light source.
  • each fiber By forming each fiber as a receiver and transmitter, standardization of the various apertures in an array can be achieved, so that both manufacturing and operational advantages, e.g. Coaxial arrangement of transmitter and receiver, follow, but also an optimized use of the available space or the area and weight can be achieved.

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Abstract

Disclosed is a distance meter, particularly for telescope arrays in ground-based or space-based applications for detecting surfaces. Said distance meter comprises at least one radiation source for emitting electromagnetic radiation (ES) onto a target that is to be measured, a receiver unit with a sensor (11) for receiving the radiation (S) reflected by the target and deriving distance data, and a first spectral filter component (4). According to the invention, the angular spread of reception of the reflected radiation (S) is limited by means of at least one spatial filter component (6'), especially a fiber laser as a radiation source and receiver component.

Description

Elektronischer Entfernungsmesser mit spektraler und räumlicher Selektivität Electronic rangefinder with spectral and spatial selectivity
Die Erfindung betrifft einen elektronischen Entfernungsmesser mit spektraler und räumlicher Selektivität nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an electronic rangefinder with spectral and spatial selectivity according to the preamble of claim 1.
In vielen Anwendungen der Entfernungsmessung, vor allem aber bei LIDAR-Messungen (Light Detecting and Ranging) , muss ein Nutzsignal der Entfernungsmessung aus einem Strahlungshintergrund gewonnen werden. Dabei kann dessen Intensität um ein Vielfaches über den Intensitäten des Nutzsignals liegen. Allerdings kann dieses Nutzsignal aufgrund seiner Eigenschaften vom Hintergrund durch spektrale oder räumlich ausgebildete Filter separiert werden. Zumeist wird das Messsignal parallel oder koaxial zur Achse des Senders emittiert, so dass das Signal von der meist diffusen zu vermessenden Oberfläche wieder in der Richtung der Achse des Senders zurückreflektiert wird. Ausserdem kann der spektrale Bereich des emittierten Lichtes so gewählt werden, dass die breitbandige Hintergrundstrahlung durch spektral selektive Reflektion oder Absorption abgetrennt werden kann.In many applications of distance measurement, but especially in LIDAR measurements (Light Detecting and Ranging), a useful signal of the distance measurement must be obtained from a radiation background. Its intensity can be many times greater than the intensities of the useful signal. However, due to its properties, this useful signal can be separated from the background by spectral or spatially formed filters. In most cases, the measurement signal is emitted parallel or coaxial with the axis of the transmitter, so that the signal is reflected back from the most diffuse surface to be measured in the direction of the axis of the transmitter. In addition, the spectral range of the emitted light can be chosen so that the broadband background radiation can be separated by spectrally selective reflection or absorption.
Ein typisches Anwendungsgebiet solcher Entfernungsmesser für luft- oder raumgestützten Anwendungen mit LIDAR- Systemen dar, bei denen ausschliesslich oder parallel zur Aufnahme weiterer Grossen eine Entfernungsmessung zu Objekten oder Oberflächen erfolgt und bei denen ein grosser Anteil von Fremd- oder Störstrahlung empfangen wird. Besondere Anforderungen gelten hierbei für Systeme, die an Bord von Luft- oder Raumfahrzeugen verwendet werden, da zumeist strikte Gewichtsrestriktionen existieren. Zudem treten bei der raumgestützten Anwendung Probleme aufgrund der hohen empfangenen Strahlungsintensitäten und der damit verbundenen thermischen Belastung auf, z.B. durch direkten. Sonnenblick oder durch die Eigenstrahlung heisser Oberflächen, wie z.B. Brände oder metallischer Schmelzen. So sollte ein Satellit, der aus einer zirkumpolaren Bahn die Topographie eines Himmelskörpers mit LIDAR abtastet, grundsätzlich die unterschiedlichen Rahmenbedingungen der Tag- und Nachtseite eines Planeten bewältigen können. Dabei liefert die Tagseite einen extremen Anteil an Hintergrundstrahlung, aus dem das zu nutzenden LIDAR-Signal gewonnen werden muss. Ähnliche Schwierigkeiten können aber auch bei erd- oder luftgestützten Anwendungen über stark strahlendem bzw. reflektierendem Untergrund, wie z.B. Eis, Wasser oder Wüstensand, auftreten.A typical field of application of such rangefinders for airborne or space-based applications with LIDAR systems in which exclusively or in parallel with the recording of further sizes a distance measurement to objects or surfaces takes place and in which a large proportion of extraneous or interfering radiation is received. Special requirements apply to systems used on board aircraft or spacecraft, as there are usually strict weight restrictions. In addition, in the space-based application problems due to the high received radiation intensities and the associated thermal load on, for example, by direct. Sunshine or by the inherent radiation of hot surfaces, such as fires or metallic melts. So a satellite, which scans the topography of a celestial body with LIDAR from a circumpolar orbit, should be able to cope with the different conditions of the day and night side of a planet. The tag side provides an extreme amount of background radiation, from which the LIDAR signal to be used has to be obtained. However, similar difficulties can also occur in earthy or airborne applications over strongly radiating or reflecting ground, such as ice, water or desert sand.
Zur Unterdrückung bzw. Abschirmung der Hintergrundstrahlung wird ein mehrstufiges Filterungskonzept mit spektralen Breitband-, Schmalband- und örtlichem bzw. räumlichem Filter verwendet.For the suppression or shielding of the background radiation, a multi-stage filtering concept with broadband spectral, narrow band and spatial filters is used.
Der spektral breite Anteil der Filter weist zwei separate, im ultravioletten (UV) bzw. im infraroten (IR) Bereich reflektierende Filter auf.The spectrally broad portion of the filters has two separate ultraviolet (UV) and infrared (IR) reflective filters.
Die UV-Filterkomponente besteht aus einer dielektrischen Mehrschicht-Beschichtung auf der der Aussenseite zugewandten Seite der Instrumenten-Apertur . Die Filterkomponente kann beispielsweise als Schicht auf einer ZnSe-Platte in der Apertur angebracht werden, wobei Wellenlängen unterhalb von 600 nm absorptionslos reflektiert werden, höhere Wellenlängen hingegen absorptionslos trans ittiert werden. Solche Filter sind sehr komplex, aber durch die Beschränkung auf einen Spektralbereich technisch realisierbar.The UV filter component consists of a dielectric multilayer coating on the outside facing side of the instrument aperture. The filter component can, for example, as a layer a ZnSe plate in the aperture are mounted, with wavelengths below 600 nm are reflected without absorption, while higher wavelengths are transmitted without absorption. Such filters are very complex, but technically feasible due to the restriction to one spectral range.
Die IR-Filterkomponente ist der UV-Filterkomponente nachgelagert und weist einen Goldspiegel auf, der für dieses Wellenlängenband nicht absorbierend ist. Das ZnSe- Trägermaterial der UV-Filterkomponente wiederum gewährleistet einen absorptionsfreien Strahlungstransport zwischen beiden Spiegeln.The IR filter component is downstream of the UV filter component and has a gold level which is non-absorbent for this wavelength band. The ZnSe support material of the UV filter component in turn ensures absorption-free radiation transport between the two mirrors.
Eine räumliche Filterkomponente wird durch die direkte oder indirekte Fokussierung der Strahlung auf den zum Empfang verwendeten Sensor bewirkt, wobei die Sensorfläche als Feldblende wirkt. Die Blendenwirkung kann jedoch auch durch eine dem Sensor vorgelagerte Faser ergänzt oder ersetzt werden. Im Falle eines senkrecht, d.h. in Nadirausrichtung auf die Oberfläche blickenden Systems fällt dabei die relevante Strahlung unter Null Grad ein. Zur Fokussierung kann die der Aussenseite abgewandte Seite der ZnSe-Platte geeignet ausgeformt werden, z.B. als einzelne Linse oder aber auch Linsenanordnung. Die Goldschicht der IR-Filterkomponente ist dann in oder nahe der Brennebene der Linse angeordnet, so dass im Zusammenwirken jegliche ausserhalb der Nadirrichtung einfallende Strahlung reflektiert wird.A spatial filter component is caused by the direct or indirect focusing of the radiation on the sensor used for the reception, wherein the sensor surface acts as a field stop. However, the aperture effect can also be supplemented or replaced by a fiber upstream of the sensor. In the case of a vertical, i. In nadir alignment on the surface looking system falls the relevant radiation below zero degrees. For focusing, the side of the ZnSe plate facing away from the outside can be suitably shaped, e.g. as a single lens or even lens arrangement. The gold layer of the IR filter component is then arranged in or near the focal plane of the lens, so that in interaction any radiation incident outside the nadir direction is reflected.
Die spektral schmalbandige Filterkomponente ist kompakt ausgeführt, z.B. als Fabry-Perot-Interferometer oder Fiber-Grating, mit einer Bandbreite von < 1 nm um die LIDAR-Wellenlänge, so dass in Nadirrichtung jegliche Strahlung ausserhalb dieses Bereichs unterdrückt wird.The narrow-band spectral filter component is compact, eg as a Fabry-Perot interferometer or fiber grating, with a bandwidth of <1 nm around the LIDAR wavelength, so that in the nadir direction any radiation outside this range is suppressed.
Durch die mehrstufige Selektion der einfallenden Strahlung kann die Nutzstrahlung des LIDAR-Systems von der Hintergrundstrahlung getrennt werden, wobei durch die Reflektion eine Aufheizung der Anordnung vermieden wird. Diese , Thermal Load' stellt insbesondere bei Satelliten eine kritische und zu minimierende Grosse dar, da die nötige Kühlleistung von der vorhandenen Energieversorgung genommen werden muss. Somit können Aufnahmen auch gegenüber stark emittierenden Oberflächen, wie z.B. der Tagseite eines sonnennahen Planeten, durchgeführt werden, insbesondere ohne spezielle Kühlvorrichtungen, was zu Verringerungen der Masse um ca. 1,3 kg führt.Due to the multi-level selection of the incident radiation, the useful radiation of the LIDAR system can be separated from the background radiation, heating being avoided by the reflection. This 'thermal load' represents a critical and minimized size, especially for satellites, since the necessary cooling power has to be taken from the existing power supply. Thus, recordings can also be made against strongly emitting surfaces, e.g. the daytime side of a solar planet, in particular without any special cooling devices, resulting in reductions in mass of approximately 1.3 kg.
Gleichzeitig ist durch die Anordnung bereits eine besonders kompakte Struktur möglich, welche beispielsweise auch zweidimensionale Anordnungen erlaubt. So kann die Innenseite der ZnSe-Platte als 10 x 10- Multilinsenanordnung (Lenslet-Array) ausgebildet werden, so dass bei gleicher numerischer Apertur eine kurze Brennweite und somit eine kurze Bauweise erreichbar ist. Die Linsen können die empfangene Strahlung in die Eintrittsöf nung einer nachgeordneten Faser lenken, wobei diese Fasern entweder zu jeweils einem eigenen Detektor, oder aber auch zu einem gemeinsamen Detektor geführt werden. Zwischen Faserende und Detektor kann dabei die schmalbandige Filterkomponente angeordnet sein. Die Verbindung und mechanische Fixierung von Linsenanordnung und Fasern ist durch eine hexagonale, wabenartige Struktur aus Beryllium realisierbar, so dass bei geringem Gewicht belastbare Strukturen gewährleistbar sind. Durch die Zuordnung einzelner Fasern zu jeweils einem eigenen Detektor kann die detektorseitige Redundanz des Systems erhöht oder sogar in Hinblick auf die Detektion von Einzelphotonen ausgebildet werden, ohne dass grössere Hardware-Modifikationen notwendig werden.At the same time a particularly compact structure is already possible by the arrangement, which allows, for example, two-dimensional arrangements. Thus, the inside of the ZnSe plate can be designed as a 10 × 10 multilens array (lenslet array), so that a short focal length and thus a short design can be achieved with the same numerical aperture. The lenses can direct the received radiation into the entrance opening of a downstream fiber, these fibers being guided to either a separate detector or to a common detector. The narrow-band filter component can be arranged between the fiber end and the detector. The connection and mechanical fixation of lens arrangement and fibers can be realized by a hexagonal, honeycomb-like structure of beryllium, so that at low weight resilient structures can be ensured. By assigning individual fibers to a respective detector, the detector-side redundancy of the system can be increased or even formed with respect to the detection of single photons, without major hardware modifications are necessary.
Ein verbleibender Nachteil ist jedoch die räumliche Aufteilung von Sender und Empfängerkomponenten. Obwohl durch die dargestellte Ausführungsmöglichkeit ein kompakter Aufbau grundsätzlich realisierbar ist, weisen dennoch getrennte Sender und Empfänger einen unterschiedlichen Strahlgang und einen Versatz ihrer Achsen auf. Ausserde müssen in eine Anordnung verschiedene Typen von Komponenten integriert werden, was zu erhöhter technischer Komplexität und gesteigertem Aufwand bei der Fertigung führt. Zudem sind aufgrund der zur Verfügung stehenden Fläche die Leistungen von Sender und Empfänger beschränkt, da eine Zunahme von Zahl oder Fläche der Sendeaperturen die der Empfängeraperturen reduziert.A remaining disadvantage, however, is the spatial distribution of transmitter and receiver components. Although a compact design is basically feasible by the embodiment shown, nevertheless separate transmitters and receivers have a different beam path and an offset of their axes. In addition, different types of components must be integrated into an array, resulting in increased engineering complexity and increased manufacturing effort. In addition, because of the available area, the powers of transmitter and receiver are limited, since an increase in the number or area of the transmit apertures reduces the receiver apertures.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Entfernungsmesser, insbesondere für Teleskopsysteme bereitzustellen, der baulich vereinfacht ist.The object of the invention is to provide a rangefinder, in particular for telescope systems, which is structurally simplified.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Entfernungsmessers mit verbesserter Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Raum-, Flächen- und Gewichtsgrenzen.Another object is to provide a rangefinder with improved utilization of the available space, area and weight limits.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäss durch die Gegenstände des Anspruchs 1 oder der abhängigen Ansprüche gelöst bzw. die Lösungen weitergebildet. Die Erfindung betrifft einen elektronischen Entfernungsmesser mit spektraler und räumlicher Selektivität, insbesondere für Teleskopanordnungen für erd- oder raumgestützte Anwendungen.These objects are achieved according to the invention by the subject-matter of claim 1 or the dependent claims or the solutions are further developed. The invention relates to an electronic rangefinder with spectral and spatial selectivity, in particular for telescopic arrangements for earth- or space-based applications.
Erfindungsgemäss wird die den spektral breitbandigen Filterkomponenten nachgeordnete Faser durch einen Faserlaser gebildet, der als gemeinsame Komponente für Sender und Empfänger Verwendung findet. Hierbei wird durch einen Pumplaser Licht erzeugt und in eine der Stirnflächen des Faserlasers eingekoppelt. Die erzeugte Laseremission wird zur Vermessung verwendet und beim Empfang nach Passieren der breitbandigen Filterkomponenten wieder in den Faserlaser, nun jedoch von der anderen Stirnseite her, eingekoppelt und durch diesen geführt. Da Pump- und Laserlicht unterschiedliche spektrale Bereiche aufweisen, können beide Anteile voneinander separiert werden. Zudem kann eine Zeitdiskriminierung eingeführt werden, die den Zeitverzug durch die endliche Laufzeit des Lidarsignals zu und zurück berücksichtigt. Nach Verlassen des Faserlasers wird das reflektierte Licht über die schmalbandige Filterkomponente auf den Sensor geführt.According to the invention, the fiber arranged downstream of the spectrally wideband filter components is formed by a fiber laser, which is used as a common component for transmitter and receiver. In this case, light is generated by a pump laser and coupled into one of the end faces of the fiber laser. The generated laser emission is used for the measurement and when receiving after passing through the broadband filter components back into the fiber laser, but now from the other end side ago, coupled and guided by this. Since pump and laser light have different spectral ranges, both portions can be separated from each other. In addition, a time discrimination can be introduced, which takes into account the time delay through the finite duration of the lidar signal and back. After leaving the fiber laser, the reflected light is guided via the narrow-band filter component onto the sensor.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sowie verschiedeneFurther details of the invention and various
Ausführungsformen werden anhand der Zeichnungen schematisch und beispielhaft dargestellt. Im einzelnen zeigen Fig.l die schematische Darstellung der Wirkung der breitbandigen Fil erkomponenten; Fig.2 die schematische Darstellung des Zusammenwirkens der verschiedenen Komponenten;Embodiments are illustrated schematically and by way of example with reference to the drawings. In detail Fig.l show the schematic representation of the effect of broadband Fil erkomponenten; 2 shows the schematic representation of the interaction of the various components;
Fig.3 die schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemässen Ausführungsform und3 shows the schematic representation of a first embodiment according to the invention and
Fig.4 die schematische Darstellung der Anordnungsbeziehung zur Realisierung einer zweiten erfindungsgemässen Ausführungsform.4 shows the schematic representation of the arrangement relationship for realizing a second embodiment according to the invention.
In Fig.l wird die Wirkung der breitbandigen Filterkomponenten schematisch erläutert. Unter verschiedenen Winkeln einfallende Strahlung S trifft auf die UV-Filterkomponente 1 als zweiter spektraler Filterkomponente, welche den UV-Anteil UV der einfallenden Strahlung S reflektiert. Der Rest wird über eine ZnSe-Platte 2 geführt, welche eine ausgeformte Linsenstruktur 2a aufweist. Die Linse 2a trägt eine Antireflexbeschichtung 3 zur Verbesserung der Transmission zurückreflektierter Strahlung. Durch diese Anordnung wird auch der infrarote Anteil IR der Strahlung transmittiert, welcher jedoch nach dem Durchgang von einer IR-Filterkomponente 4 als erster spektraler Filterkomponente zurückreflektiert wird, so dass nach einem erneuten Durchgang durch die ZnSe-Platte 2 und die UV-Filterkomponente 1 der IR-Anteil IR den Entfernungsmesser wieder verlässt.In Fig.l the effect of the broadband filter components is schematically explained. Radiation S incident at different angles impinges on the UV filter component 1 as the second spectral filter component which reflects the UV component UV of the incident radiation S. The rest is passed over a ZnSe plate 2, which has a shaped lens structure 2a. The lens 2a carries an antireflection coating 3 for improving the transmission of back-reflected radiation. By this arrangement, the infrared portion IR of the radiation is transmitted, which, however, after the passage of an IR filter component 4 is reflected back as the first spectral filter component, so that after a renewed passage through the ZnSe plate 2 and the UV filter component 1 of IR component IR leaves the rangefinder again.
Fig.2 zeigt die schematische Darstellung des Zusammenwirkens der verschiedenen weiteren Komponenten. Nach der ersten in Fig.l erläuterten Filterung trifft die verbleibende Strahlung auf die räumliche Filterkomponente 6, welche hier als Faser ausgebildet ist. Gleichermassen kann diese Wirkung jedoch auch durch eine Blende oder die Begrenztheit einer Sensorfläche bewirkt werden. Die IR- Filterkomponente 4 ist in den Fokus bzw. Fasereingang verschoben, wobei die hier gewählte Darstellung rein schematisch ist und insbesondere die Grössenverhältnisse von Faser und IR-Filterkomponente 4 nicht exakt dargestellt sind. Jegliche ausserhalb der Nadirrichtung einfallende Strahlung wird durch diese Anordnung reflektiert. Nach der Richtungsselektion durch die räumliche Filterkomponente 6 erfolgt ein weiterer Selektionsschritt durch die schmalbandige Filterkomponente 7 als dritter spektraler Filterkomponente, welche beispielsweise als Fabry-Perot- Interferometer oder reflektierende Gitterstruktur ausgebildet sein kann. Durch das Zusammenwirken der Komponenten wird die einfallende Strahlung S hinsichtlich ihrer spektralen und Richtungsanteile separiert, wobei ein Grossteil der Strahlung reflektiert wird, um ein Aufheizen des Entfernungsmessers zu vermeiden oder zumindest zu vermindern. Zur Vereinfachung sind weitere Komponenten des Strahlgangs, wie z.B. Linsen, in dieser Darstellung weggelassen.2 shows the schematic representation of the interaction of the various other components. After the first filtering explained in FIG. 1, the remaining radiation strikes the spatial filter component 6, which is designed here as a fiber. Equally, however, this effect can also be effected by a diaphragm or the limitation of a sensor surface. The IR filter component 4 is shifted into the focus or fiber input, wherein the representation selected here is purely schematic and in particular the size ratios of fiber and IR filter component 4 are not shown exactly. Any radiation outside the nadir direction will be reflected by this arrangement. After the directional selection by the spatial filter component 6, a further selection step takes place through the narrow-band filter component 7 as the third spectral filter component, which may be formed, for example, as a Fabry-Perot interferometer or a reflective grating structure. As a result of the interaction of the components, the incident radiation S is separated with respect to its spectral and directional components, with a large part of the radiation being reflected in order to avoid or at least reduce the heating of the rangefinder. For simplicity, other components of the beam path, such as lenses, are omitted in this illustration.
Fig.3 beschreibt die schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemässen Ausführungsform mit den in Fig.l und Fig.2 dargestellten Filterschritten. Einfallende Strahlung S wird über die UV-Filterkomponente 1, ZnSe-Platte 2 mit der Linsenstruktur 2a und die IR- Filterkomponente 4 geführt. Nach dem Durchgang durch diese IR-Filterkomponente 4 erfolgt eine Einkopplung der Strahlung entweder in den multimodigen Teil der Faser (Fall A) oder aber über eine Mikrolinse 5 in den aktiven Faserkern 6a zur intensitätsmässigen Nachverstärkung (Fall B) . Im ersteren Fall muss das detektorseitig gelegene Ende der Faser mit einem Intensitätsstop 6b versehen werden, im Fall B jedoch mit einem schnellen Schalter, z.B. in Art eines Q-Switches . Im Fall B erfolgt dann eine zeitliche Trennung von Emission des Faserlasers und dem Durchschalten zum Sensor 11, so dass bei geöffnetem Schalter der Faserkern 6a als Nachverstärker wirkt. Beide Faserregionen wirken zusätzlich als räumlicher Filter. Der Faserlaser weist beispielsweise einen aktiven Faserkern 6a von 4 Mikrometern Durchmesser auf, wobei die Multimodestruktur einen Durchmesser von ca. 100 Mikrometern besitzt. In der Multimodestruktur wird die empfangene Strahlung S durch den Faserlaser geführt und schliesslich über eine erste Linse 8a, einen dichroitischen Strahlteiler 10, die schmalbandige Filterkomponente 7 und eine zweite Linse 8b auf den Sensor 11 geführt. Parallel zu diesem Empfangsstrahlengang wird die Anordnung jedoch erfindungsgemäss auch zur Emission der zur Messung verwendeten Messstrahlung ES verwendeten. Zu deren Erzeugung emittiert eine Pumplichtquelle 9 Licht, welches durch eine dritte Linse 8c . kollimiert und über den Strahlteiler 10 und die erste Linse 8a in den Faserlaser eingekoppelt wird. Zur Vermeidung von negativen Einflüssen der Laseremission des Faserlasers auf die Komponenten des Empfängers, insbesondere auf den Sensor 11, weist der Faserlaser ein empfängerseitiges Abschlusselement 6b auf, welches den aktiven Faserkern 6a optisch abdeckt. Die vom Faserlaser erzeugte Messstrahlung ES wird über eine Teleskopanordnung aus Mikrolinse 5 und Linsenstruktur 2a in das für die Emission gewünschte Strahlprofil gebracht. Die optisches Faser wird somit in einem Vorwärts-Betriebsmodus als Faserlaser im Emissionsmode betrieben, wohingegen in einem Rückwärts-Betriebsmodus die Faser als räumliche Filterkomponente 6' des Empfängers dient. Durch diese zweifache Nutzung werden Emission und Detektion vermittels derselben wesentlichen optischen Komponenten bewirkt, so dass eine bauliche Vereinfachung folgt, welche Vorteile in Hinblick auf Raum- und Gewichtsrestriktionen bietet.FIG. 3 describes the schematic representation of a first embodiment according to the invention with the filter steps shown in FIG. 1 and FIG. Incident radiation S is guided via the UV filter component 1, ZnSe plate 2 with the lens structure 2a and the IR filter component 4. After passing through this IR filter component 4, the radiation is coupled either into the multimode part of the fiber (case A) or via a microlens 5 into the active one Fiber core 6a for intensity amplification (case B). In the former case, the end of the fiber located at the detector end must be provided with an intensity stop 6b, but in case B with a fast switch, eg in the manner of a Q-switch. In the case B, a temporal separation of the emission of the fiber laser and the switching through to the sensor 11 then takes place, so that when the switch is open the fiber core 6a acts as a post-amplifier. Both fiber regions additionally act as a spatial filter. The fiber laser has, for example, an active fiber core 6a of 4 micrometers in diameter, the multi-mode structure having a diameter of about 100 micrometers. In the multi-mode structure, the received radiation S is guided through the fiber laser and finally guided to the sensor 11 via a first lens 8a, a dichroic beam splitter 10, the narrow-band filter component 7 and a second lens 8b. However, according to the invention, the arrangement is also used for emitting the measuring radiation ES used for the measurement in parallel with this reception beam path. To generate them, a pumping light source 9 emits light which is transmitted through a third lens 8c. is collimated and coupled via the beam splitter 10 and the first lens 8a in the fiber laser. In order to avoid negative influences of the laser emission of the fiber laser on the components of the receiver, in particular on the sensor 11, the fiber laser on a receiver-side terminating element 6b, which covers the active fiber core 6a optically. The measuring radiation ES generated by the fiber laser is brought into the beam profile desired for the emission via a telescope arrangement of microlens 5 and lens structure 2a. The optical Fiber is thus operated in a forward mode of operation as a fiber laser in emission mode, whereas in a reverse mode of operation the fiber serves as a spatial filter component 6 'of the receiver. Through this dual use, emission and detection are effected by means of the same essential optical components, so that a structural simplification follows, which offers advantages in terms of space and weight restrictions.
Eine Zusammenfassung von mehreren Fasen zu einer zweiten erfindungsgemässen Ausführungsform zeigt Fig.4. Dargestellt ist rein schematisch die Anordnungsbeziehung der Fasern zur Realisierung einer zweiten erfindungsgemässen Ausführungsform. Die ZnSe-Platte 2' , weist nun mehrere Linsenstrukturen . 2a' las Multilinsenarray auf, denen jeweils eine Faser als räumliche Filterkomponente 6' zugeordnet ist. Zwischen jeweiliger Linsenstruktur 2a' und dem zugeordneten Fasereingang ist die IR-Filterkomponente 4 angebracht. Diese kann als durchgehende Struktur, aber auch für jede Faser separat ausgebildet werden. Zur Vereinfachung der Darstellung sind weitere Komponenten, wie z.B. Mikrolinsen, nicht dargestellt. Von jeder Faser wird als Faserlaser Messstrahlung ES erzeugt, die wiederum vermittels der zugeordneten Linsenstruktur 2a' emittiert wird.A summary of several chamfers to a second embodiment according to the invention is shown in FIG. Shown is purely schematically the arrangement relationship of the fibers for the realization of a second embodiment according to the invention. The ZnSe plate 2 'now has several lens structures. 2a 'read multi-lens array, each associated with a fiber as a spatial filter component 6'. Between each lens structure 2a 'and the associated fiber input, the IR filter component 4 is mounted. This can be formed separately as a continuous structure, but also for each fiber. For ease of illustration, other components, such as e.g. Microlenses, not shown. From each fiber measuring radiation ES is generated as a fiber laser, which in turn is emitted by means of the associated lens structure 2a '.
Hierbei können die den Fasern nachgelagerten Komponenten ebenfalls für jede Faser separat oder aber für alle oder mehrere Fasern gemeinsam ausgebildet sein bzw. genutzt werden. So kann jeweils einer Faser ein einzelner Sensor zugeordnet werden. Alternativ kann aber auch die Strahlung mehrerer Fasern auf einen gemeinsamen Sensor geführt werden. Ebenfalls können mehrere Fasern von einer gemeinsamen Lichtquelle gepumpt werden oder aber, wie in Fig.3 gezeigt, über eine eigene Pumplichtquelle verfügen.In this case, the downstream components of the fibers can also be formed or used for each fiber separately or for all or several fibers together. Thus, one fiber can be assigned to a single sensor. Alternatively, but also the Radiation of multiple fibers are passed to a common sensor. Also, multiple fibers may be pumped from a common light source or, as shown in FIG. 3, may have its own pumping light source.
Durch die Ausbildung jeder Faser als Empfänger und Sender kann eine Standardisierung der verschiedenen Aperturen in einer Anordnung erreicht werden, so dass sowohl fertigungs- und betriebstechnische Vorteile, wie z.B. koaxiale Anordnung von Sender und Empfänger, folgen, aber auch eine optimierte Nutzung des zur Verfügung stehenden Raums bzw. der Fläche und des Gewichts erreicht werden kann. By forming each fiber as a receiver and transmitter, standardization of the various apertures in an array can be achieved, so that both manufacturing and operational advantages, e.g. Coaxial arrangement of transmitter and receiver, follow, but also an optimized use of the available space or the area and weight can be achieved.

Claims

PatentansprücheClaims
1. Entfernungsmesser, insbesondere für Teleskopanordnungen in erd- oder raumgestützte Anwendungen zur Erfassung von Oberflächen, mit wenigstens • einer Strahlungsquelle zur Emission von elektromagnetischer Strahlung (ES) , insbesondere von Laserlicht, auf ein zu vermessendes Ziel, • einer Empfängereinheit mit einem Sensor (11) zum Empfang der von dem Ziel reflektierten Strahlung (S) und zur Ableitung von Entfernungsinformationen aus der empfangenen Strahlung, insbesondere nach dem Pulslaufzeitoder Phasenmeßverfahren, • einer ersten spektralen Filterkomponente (4), insbesondere einem IR-Filter, gekennzeichnet durch wenigstens eine räumliche Filterkomponente (6,6'), wobei die räumliche Filterkomponente (6,6') so ausgebildet und angeordnet ist, dass der Empfangswinkelbereich der reflektierten Strahlung (S) eingeschränkt wird.1. Range finder, in particular for telescope arrangements in earth or space-based applications for the detection of surfaces, with at least • one radiation source for the emission of electromagnetic radiation (ES), in particular laser light, to a target to be measured, • a receiver unit with a sensor (11 ) for receiving the radiation (S) reflected from the target and for deriving distance information from the received radiation, in particular according to the pulse transit time or phase measurement method, • a first spectral filter component (4), in particular an IR filter, characterized by at least one spatial filter component ( 6,6 '), the spatial filter component (6,6') being designed and arranged such that the reception angle range of the reflected radiation (S) is restricted.
2. Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Filterkomponente (6,6') als optisch leitfähige Faser (6) ausgebildet ist, insbesondere mit einer in Empfangsrichtung vorgeschalteten Mikrolinse (5) .2. Distance meter according to claim 1, characterized in that the spatial filter component (6, 6 ') is designed as an optically conductive fiber (6), in particular with a microlens (5) connected upstream in the receiving direction.
3. Entfernungsmesser nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Filterkomponente (6') ein Faserlaser mit Multimode-Mantel und aktivem Faserkern (6a) ist.3. Range finder according to one of the preceding claims, characterized in that the spatial filter component (6 ') is a fiber laser with a multimode jacket and active fiber core (6a).
Entfernungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierte Strahlung (S) durch den Multimode- Mantel geführt wird, insbesondere mit einer optischen Abdeckung (6b) zwischen dem Faserkern (6a) und dem Sensor (11) .Distance meter according to claim 3, characterized in that the reflected radiation (S) is guided through the multimode jacket, in particular with an optical cover (6b) between the fiber core (6a) and the sensor (11).
Entfernungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierte Strahlung (S) durch den aktiven Faserkern (6a) geführt wird, insbesondere mit einem optischen Schalter zwischen dem Faserkern und dem Sensor (11) .Distance meter according to claim 3, characterized in that the reflected radiation (S) is guided through the active fiber core (6a), in particular with an optical switch between the fiber core and the sensor (11).
Entfernungsmesser nach einem der vorangehendenRange finder according to one of the preceding
Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zweite spektrale Filterkomponente (1) , insbesondere einen der ersten spektralen Filterkomponente (4) in Empfangsrichtung vorgelagerten UV-Filter.Claims, characterized by a second spectral filter component (1), in particular one of the first spectral filter components (4) upstream of the UV filter in the receiving direction.
Entfernungsmesser nach einem der vorangehendenRange finder according to one of the preceding
Ansprüche, gekennzeichnet durch eine schmalbandige dritte spektrale Filterkomponente (7) zwischen erster spektraler Filterkomponente (4) und Sensor (11) , insbesondere mit einer spektralen Breite von weniger als 1 nm um die Wellenlänge der emittierten Strahlung (ES) .Claims, characterized by a narrow-band third spectral filter component (7) between the first spectral filter component (4) and the sensor (11), in particular with a spectral one Width of less than 1 nm around the wavelength of the emitted radiation (ES).
8. Entfernungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte spektrale Filterkomponente (7) eine interferometrische und/oder eine räumlich periodische Struktur ist, vorzugsweise ein Fabry-Perot- Interferometer oder eine reflektierende Gitterstruktur .8. Distance meter according to claim 7, characterized in that the third spectral filter component (7) is an interferometric and / or a spatially periodic structure, preferably a Fabry-Perot interferometer or a reflective grating structure.
9. Entfernungsmesser nach einem der der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens zwei räumliche Filterkomponenten (6,6'), insbesondere mit einem zugeordneten Multilinsenarray (2a' ) , vorzugsweise wobei das Multilinsenarray (2a' ) als Struktur einer ZnSe-Platte (2') ausgebildet ist.9. Distance meter according to one of the preceding claims, characterized by at least two spatial filter components (6, 6 '), in particular with an associated multi-lens array (2a'), preferably wherein the multi-lens array (2a ') as a structure of a ZnSe plate (2' ) is trained.
10. Entfernungsmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass räumliche Filterkomponenten (6,6') und Multilinsenarray (2a' ) durch eine hexagonale wabenartige Struktur, insbesondere aus Beryllium, fixiert sind. 10. Distance meter according to claim 9, characterized in that spatial filter components (6, 6 ') and multi-lens array (2a') are fixed by a hexagonal honeycomb structure, in particular made of beryllium.
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