NO140390B - Laser avstandsmaaler. - Google Patents

Abstract

Laser avstandsmåler.

Description

Oppfinnelsen vedrører en laseravstandsmåler som i det vesentlige består av stasjonær sender som via en optisk omstyringsmidler utstråler en laserpuls, en detektor som via objektivlinser mottar den av det aktuelle objekt reflekterte energi, elektronisk utstyr som beregner avstanden til objektet etter pulsvandringstiden og et hus som er felles for samtlige komponenter og forsynt med inngangsoptikk, og som er anordnet slik at de kan følae det aktuelle objekt i vertikalplanet.

Fra tysk utlegningsskrift 1 240 681 er det kjent et optisk system med laserstråler for utsending og mottagelse av elektro-magnetisk stråling av den type som f.eks. benyttes i returstrålings-avstands-målere med laserstråler. Av den storre flate som er bestemt for mottagelse, er det derved utspart et stykke, slik at energien fra senderen kan stråles ut gjennom denne utsparing. Ved dette for ovrig meget brukbare prinsipp er det en ulempe at den romvinkel som kan dekkes, er forholdsvis liten, hhv. at det ikke er angitt hvorledes et slikt system kan tilpasses et flyobjekt som til stadighet og med stor hastighet forandrer sin posisjon.

Fra tysk Offenlegungsschrift 2 018 799 er det dessuten kjent en anordning til orientering og forfølging av luftmål. Den aktuelle romvinkel dannes således ved den horisontale åpningsvinkel og den vertikale svingbevegelse av et motordrevet speil som sammen med et ytterligere speil som er tilordnet mottageren, befinner seg i den eneste telesentriske strålebane av systemet. Ulempen ved en slik anordning består i en begrenset ytelse som er et resultat av strålegangenes sammenlegging av sender og mottager samt frem for alt en manglende rundtomkring-avtasting.

Oppfinnelsen går ut på å utvikle en laseravstandsmåler av inn-ledningsvis omtalte type, med hvilken forandring av de optiske

akser for lasersender og mottager kan gjennomføres raskt og sik-

kert for tilpassning til et objekt under bevegelse eller til et annet apparat som samvirker med avstandsmåleren, f.eks. et varme-lokaliseringsapparat. Ifølge oppfinnelsen løses denne oppgave ved at detektoren sammen med en del omstyringsprismer, et omstyringsspeil og objektivlinser er anordnet roterende om lasersenderens stråleaske og et ytterligere omstyringsprisme sammen med inngangsoptikken og et vippespeil er svingbart anordnet såvel om lasersenderens stråleakse som om en på denne loddrett akse. Den store fordel ved et således anordnet apparat består i dekning av en stor romvinkel i en størrelsesorden på ca. 120°. Derved vil en slik avstandsmåler også være spesielt egnet som komplettering av et IR-søke- og følgeapparat, fordi laseren foruten til avstands-bestemmelse også kan benyttes til belysning av det aktuelle objekt.

Ved en fordelaktig konstruktiv utformning av oppfinnelsen foreslås

at inngangsoptikken, vippespeilet, omstyringsspeilet, objektivlinsene som består av en negativlinse og en samlelinse sammen med et interferensfilter danner en brutt strålebane somler tilordnet detektoren. Videre foreslås det at omstyringsspeilet anordnes mellom vippespeilet og negativlinsen. Således vil den energi som kommer fra vippespeilet omstyres via et speil som utelukkende utfører en roterende bevegelse til detektoren hhv. det linsesystem som er koblet foran detektoren.

Hva angår drivorganenes stilling i apparatet er det av betydning

at en motor for rotasjonsbevegelsen sammen med en tako- og en synkrongenerator for oppnåelse av en nøyaktig følgebevegelse, samt en sleperingskolonne for spenningsforsyning er festet på en aksel som er anordnet i husets hhv. dets hodepartis lengdeakse, mens en motor for svingebevegelsen sammen med det ytterligere omstyringsprismet, inngangsoptikken, vippespeilet samt et synkronledd som forbinder inngangsoptikken med vippespeilet er festet på en ytterligere aksel som er anordnet rettvinklet på førstnevnte aksel. Derved kan laseravstandsmåleren gis en særdeles kompakt konstruksjon.

Hodepartiet er fortrinnsvis i den frie ende dekket av en kule-

formet radom av kalsium-aluminat-glass. Dette materialet har den fordel at det er meget motstandsdyktig mot erosjon.

Ifolge ytterligere trekk ved oppfinnelsen er det mellom lasersenderen og hodepartiet innføyet en avooyningsenhet, som i det vesentlige består av en glasskile, som i det vesentlige kan drives med en motor; avsoker bildet samt bryter den optiske akse for pulsen fra lasersenderen, samt en dreiemagnet som på-

virker en negativlinse.

Ved en videreforing av oppfinnelsen er ett av omstyringsprismene og ytterligere et omstyringsprisme, som er fast forbundet med speilet, sammen med den forankoblede inngangsoptikk utfort som et optisk ledd. På denne måten kan den brutte strålebane praktisk talt virkeliggjøres med bare ett enkelt optisk ledd, nemlig et omstyringsspeil, slik at den innfallende energi kan tilfores detektoren uten nevneverdige tap. Også mekaniske ledd, som f.eks. hodepartiets forholdsvis omfattende synkronledd, blir overflo-dige, slik at det totalt sett oppnås en forenklet fremstilling og redusert reparasjonsbehov, samtidig som de oppnådde optiske verdier bedres. Med henblikk på anordningen i rommet er det derved fordelaktig at speilet dels er koblet mellom inngangsoptikken og lasersenderen som et element som forener deres optiske akser, og dels er koblet mellom inngangsoptikken og detektoren som et element som bryter denne strålebane. Ifolge ytterligere et trekk ved oppfinnelsen omfatter inngangsoptikken et sentralt anordnet laservindu.

Ved en videreutvikling av oppfinnelsen, som spesielt er fordelaktig med henblikk på et lavt energitap, er speilet utformet med et sentralt anordnet hull, som tjener til opptagelse av et omstyringsprisme. Et omstyringsspeil som er anordnet på denne måten, vil i gjennomgangspunktet for inngangsoptikkens optiske akse på omstyrings-speilflaten muliggjore en forening med lasersenderens optiske akse, slik at laseravstansmåleren egentlig bare omfatter en enkelt; felles, optiske akse for lasersender og mottageroptikk. Derved vil omstyringsprismet, som f.eks. er kittet fast i hullet, folge alle speilets bevegelser.

Ifolge ytterligere trekk ved oppfinnelsen er speilet utformet svingbart 90° i et plan. Takket være denne utformning utgjor den romvinkel som dekkes av laseravstandsmåleren ifolge oppfin-

nelsen 180°.

I det folgende skal noen utforelseseksempler av oppfinnelsen be-skrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor tilsvarende deler i figurene er betegnet med samme henvisningstall. Fig. 1 viser et oppriss av den del av laseravstandsmåleren som omfatter oppfinnelsen, delvis i snitt. Fig. 2 er et sideriss av laseravstandsmåleren ifolge fig. 1, likeledes delvis vist i snitt. Fig. 3 viser et prinsippskjema av laseravstandsmåleren, inklusive forlopet av den utstrålte og etter refleksjon .igjen mottatte energi. Fig. 4 er et sideriss av prinsippskjemaet ifolge fig. 3, hvor de forskjellige rotasjonsbevegelser hhv. rotasjons- og svinge-bevegelser som utfores av de forskjellige komponentene, er gjengitt.

Lasersenderen 1 er ved hjelp av skruer 26 festet i den ene ende av et hus 8, hvis annen ende munner i et hodeformet parti 7, som i sende- hhv. mottagelsesretning er dekket av en radom 9 som f.eks. er kuleformet og av hensyn til erosjonsfastheten består av kalsium-aluminat-glass.

I senderetning foran lasersenderen 1 er det anordnet en avboy-ningsenhet 21, som omfatter en glasskile 5, som kan dreies ved hjelp av en elektrisk motor å for avsokning av billedfeltet. Dessuten omfatter enheten 21 en dreiemagnet 16, med hvilken en negativlinse 27 kan blendes inn i strålebanen slik at laserens stråledivergens kan omstyres. Ved hjelp av dette trekk forandres samtidig glasskilens 5 skråstilling slik at billedfeltets storrelse tilpasses den til enhver tid aktuelle divergensvinkel.

Når pulsen fra lasersenderen 1 når den roterende glasskile 5, vil tilhorende optiske akse 1' brytes og fores mot en kjeglemantel, hvis åpningsvinkel svarer til den dobbelte verdi av sendestrålens divergensvinkel. Dette betyr en åpningsvinkel på 5 mrad, hvis de til enhver tid tilhorende optiske ledd, som vil bli nærmere omtalt nedenfor, justeres om apparatets lengdeakse, som passer sammen med den optiske akse 1", og 22 mrad,-når disse optiske ledd reguleres om det perpendikulært på lengdeaksen forlopende plan.

I sistnevnte tilfelle vil laserens stråledivergens bli forstorret til 11 mrad ved hjelp av negativlinsen 27 på 2,5 mrad (90%). Den puls som er utstrålt fra lasersenderen vil, idet den folger den optiske akses 1' forlop, etter glasskilen 5 passere et optisk ledd 2,2' , 3,3' , bestående av fire omstyringsprismer, av hvilke prismet 3 sammen med inngangsoptikken 10 og et vippespeil 11 kan dreies både om apparatets lengdeakse og i et plan perpendiku-

lært på denne. Derved blir det mulig å avboye den optiske akse 1' i to plan innenfor et vinkelområde på 120°. Prismene 2,2' og 3' har omstyringsfunksjoner og roterer utelukkende om appara-

tets lengdeakse. Etter omstyringsprismene 2, 2', 3, 3' passerer pulsen på apparatsiden gjennom radomen 9, for den utstråles mot objektet, som ikke er vist i tegningen.

Den energi som reflekteres av det aktuelle objekt, passerer i nevnte rekkefolge gjennom radomen 9, inngangsoptikken 10, vippespeilet 11, et omstyrings-speil 19, som folger med i rotasjons-bevegelsene, samt et linsesystem 23, 24, 25, som er fast forbundet med speilet 19. Sistnevnte består av en negativlinse 23,

et interferensfileter 24 og en samlelinse 25, som fokuserer energien på detektoren 22, som likeledes roterer med. Brennvidden for de to siste linsene i passasjeretning er derved valgt slik at den ikke nærmere viste mottagelsesdiode for detektoren 22 begrenser billedfeltvinkelen til 22 mrad. Derved kan man gi avkall på en blender.

Den drivmekanisme som bevirker rotasjonen og svingebevegelsen av de enkelte optiske ledd, er anordnet i hodepartiets 7 område.

Den består av en vridningsmoment-motor 13, som bevirker rotasjon om lengdeaksen og som sammen med to generatorer som muliggjor en noyaktig etterforing - en takogenerator 14 og en synkrongenerator 15 - er festet på akselen 17, som er anordnet i lengdeaksen. Denne aksel bærer dessuten en sleperingkolonne 6, som tjener til overforing av forsynings- og signalspenninger. Den bevegelse som finner sted i det perpendikulære plan på lengdeaksen, bevirkes av ytterligere en vridningsmoment-motor 20, hvorved det mellom inngangsoptikken 10 og vippespeilet 11 er koblet inn et synkronledd 12, som bevirker en omsetning med faktoren 2. De elementer som beveger seg i dette plan er festet på en aksel 17'.

Totalt muliggjor en laseravstandsmåler av ovenfor konstruerte type mekanisk sett en lukket oppbygning med maksimal stabilitet, mens det funksjonelt sikres problemfri betjening innenfor en stor romvinkel.

Ved den utforelsesform som er gjengitt i fig. 3 og 4 er lasersenderen 1 festet i et ikke nærmere vist hus og utstråler laser-pulser i pilens 31 retning, via avboyningsenheten 21 til forandring av laserstrålens divergens. Laserpulsene ledes via tre omstyringsprismer 2', 2, 3" til speilet 11. Ved et annet, ikke vist utforelseseksempel kan det i stedet for omstyringsprismene benyttes omstyringsspeil. Speilet 11" er utstyrt med et sentralt hull 28, hvor ytterligere et omstyringsprisme 29 er kittet fast. Prismet 29 omstyrer pulsene i retning av et laservindu 30, som

er anordnet i inngangsoptikken 10. Derfra stråles pulsene ut mot det formodede objekt.

Elementene er anordnet slik at la sersenderens 1 optiske akse 1' faller sammen med inngangsoptikkens 10 optiske akse 1" i aksens 1' gjennomgangspunkt på omstyrings-speilflaten.

Den energi som reflekteres av et aktuelt objekt på inngangsoptikken 10, symboliseres ved pilene 32. Den passerer via speilet 11' og et linsesystem 23, som omfatter en negativlinse, et interferensfilter og en samlelinse, til detektoren 22, som ved anvendelse sammen med linsesystemet og omstyringsprismene 2, 2' og 3" roterer om apparatets lengdeakse, som faller sammen med de optiske akser 1' og 1", som antydet med pilen 33 i fig. 4. Inngangsoptikken 10, speilet 11' og omstyringsprismet 29 utforer derimot foruten denne rotasjonsbeveg.else også en svingebevegelse om vinkelen cc = 90O (fig. 4) hhv. i; r,etning av dobbeltpilen 34 i fig. 3,

slik at inngangsoptikken 10 og speilet 11' i den andre ytterstil-ling inntar de stillinger som er antydet med strek-punkt-streker

i fig. 3. Driften for svingebevegelsen oppnås også her ved hjelp av en vridningsmoTient-motor, som sammen med en tako- og en synkrongenerator, samt et sleperingsett til spenningsforsyning og signal-

overforing, er festet på svingeaksen på en ikke vist måte. Ende-lig er det foran inngangsoptikken 10 i den roterende del anordnet et deksel i form av en parallell skive 9', f.eks. av kalsium-aluminat-glass med en radius i svingretningen forlopende rettvinklet på svingeretningen.

Claims (12)

1. Laseravstandsmåler som i det vesentlige består av stasjonær sender som via en optisk omstyringsmidler utstråler en laserpuls, en detektor som via objektivlinser mottar den av det aktuelle objekt reflekterte energi, elektronisk utstyr som beregner avstanden til objektet etter pulsvandringstiden og et hus som er felles for samtlige komponenter og forsynt med inngangsoptikk, og som er anordnet slik at de kan følge det aktuelle objekt i vertikalplanet, karakterisert ved at detektoren (22) sammen med en del (2, 2', 3') omstyringsprismer, et omstyringsspeil (19) og objektivlinser (23, 25) er anordnet roterende om lasersenderens (1) stråleakse (1') og et ytterligere omstyringsprisme (3) sammen med inngangsoptikken (10) og et vippespeil (11) er svingbart anordnet såvel om lasersenderens (1) stråleaske (1') som om en på denne loddrett akse (17').

2. Laseravstandsmåler som angitt i krav 1, karakterisert ved at inngangsoptikken (10), vippespeilet (11), omstyringsspeilet (19), objektivlinsene sam består av en negativlinse (23) og en samlelinse (25), sammen med et interferensfilter (24) danner en brutt strålebane som er tilordnet detektoren (22).

3. Laseravstandsmåler ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at omstyringsspeilet (19) er anordnet mellom vippespeilet (11) og negativlinsen (23).

4. Laseravstandsmåler ifølge ett av de foregånde krav, karakterisert ved at en motor (13) for rotasjonsbevegelsen sammen med en tako- og en synkrongenerator (14 hhv. 15) for oppnåelse av en nøyaktig følgebevegelse, samt en sleperingskolonne (6) for spenningsforsyning er festet på en aksel (17), som er: anordnet i husets (8) hhv. dets hodepartis (7) lengdeakse, mens en moteir (20) for svingebevegelsen sammen med det ytterligere omstyrin^sprismet (3), inngangsoptikken (10), vippespeilet (11) samt et synkronledd (12) som forbinder inngangsoptikken (10) med vippespeilet (11), er festet på en ytterligere aksel (17') som er anordnet rettvinklet på akselen (17) .

5. Laseravstandsmåler som angitt i krav 4, karakterisert ved at hodepartiet (7) i den frie ende er dekket av en kuleformet radom (9) av kalsium-aluminat-glass.

6. Laseravstandsmåler som angitt i krav 4, karakterisert ved et synkronledd (12), som bevirker en omsetning med faktoren "2" mellom inngangsoptikken (10) og vippespeilet (11).

7. Laseravstandsmåler som angitt i ett eller flere av foranstå-ende krav, karakterisert ved at det mellom lasersenderen (1) og hodepartiet (7) er foyet inn en avboynings-enhet (21), som i det vesentlige består av en glasskile (5), som kan drives via motoren (4), avsoker bildet og bryter den optiske akse (1') for pulsen fra lasersenderen (1), samt en dreiemagnet (16) som påvirker en negativlinse (27).

8 . Laseravstansmåler som angitt i krav 1, karakterisert ved at omstyringsprismet (3") og ytterligere et omstyringsprisme (29), som er fast forbundet med speilet (li<1>), sammen med den foran innkoblede inngangsoptikk (10)Uer utfort som et optisk ledd.

9 . Laseravstandsmåler som angitt i krav 8, karakterisert ved at speilet (11') dels koblet mellom inngangsoptikken (10) og lasersenderen (1), er utformet som et element som forener deres optiske akser (l<1>, 1"), og dels, koblet mellom inngangsoptikken (10) og detektoren (22), er utformet som et element som bryter denne strålebane.

10. Laseravstandsmåler som angitt i krav 8 og 9 , karakterisert ved at inngangsoptikken (10) har et sentralt anordnet laservindu (30).

11. Laseravstandsmåler som angitt i et eller flere av kravene

8 - 10, karakterisert ved at speilet (11') er forsynt med et sentralt anordnet hull (28) som tjener til opptagelse av et omstyringsprisme (29) .

12. Laseravstandsmåler som angitt i et eller flere av kravene 10 - 13, karakterisert ved at speilet (li<1>) er svingbart 90° i et plan.