NO334139B1 - Optisk avstandsmåler - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en optisk avstandsmåler, eksempelvis slike som anvendes ved målinger av grunnstykker og bygg.

Slike optiske avstandsmålere har vært kjent lenge. Lystettheten til den vanligvis anvendte sender, med en laserdiode som lyskilde, er imidlertid som regel mindre enn det som tillates med hensyn til beskyttelse av øynene. Dessuten har den fra en eneste laserdiode utgående lysstråle vanligvis et ugunstig, meget langstrakt tverrsnitt, hvilket gir en utilstrekkelig konsentrasjon i målet og derfor kan gi en utilfredsstillende lysstrøm og målefeil. Av disse årsaker er rekkevidden så vel som målenøyaktigheten og - sikkerheten til avstandsmålere av den angitte type mindre enn ønskelig og i prinsippet mulig.

Et aspekt ved den foreliggende oppfinnelsen er en optisk avstandsmåler som beskrevet i krav 1 heretter.

Oppfinnelsen er kjennetegnet ved de i patentkravene angitte trekk.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe en optisk avstandsmåler av den angitte typen, hvis sender har en høy lystetthet og sikrer en god målbelysning samt en høy lysstrøm i målet. De med oppfinnelsen oppnådde fordeler ligger fremfor alt i en betydelig bedring av rekkevidde, det vil si den maksimale måledistanse eller, ved en gitt rekkevidde, en øking av målenøyaktigheten. Disse fordeler oppnås med en forholdsmessig liten senderoptikk, hvilket muliggjør en kompakt oppbygging av hele apparatet.

Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere med henvisning til tegningsfigurene som bare viser utførelseseksempler. På tegningene viser

fig. la et skjema for en sender i en avstandsmåler ifølge oppfinnelsen, i en første

utførelsesform,

fig. lb viser stråletverrsnittet til senderen ifølge den første utførelsesform, i

målet,

fig. 2a viser et skjema for senderen i en avstandsmåler ifølge oppfinnelsen, i en

andre utførelsesform,

fig. 2 viser stråletverrsnittet til senderen ifølge den andre utførelsesformen, i

målet,

fig. 3 viser et skjema for senderen til en avstandsmåler ifølge oppfinnelsen, i en tredje utførelsesform,

fig. 4 viser et skjema for senderen til en avstandsmåler ifølge oppfinnelsen, i en

fjerde utførelsesform,

fig. 5 viser skjematisk oppbyggingen av senderen til en avstandsmåler ifølge

oppfinnelsen, ifølge en femte utførelsesform, og

fig. 6 viser aperturen til kollimatoren i avstandsmåleren ifølge oppfinnelsen,

ifølge en femte utførelsesform, og viser også kollimatorens stråletverrsnitt.

En optisk avstandsmåler ifølge oppfinnelsen har en sender og en mottaker, som eksempelvis på kjent måte kan være oppbygget med en optikk og avalanche-fotodioder, samt en elektronisk styre- og beregningsenhet, likeledes av kjent utførelse, hvilken enhet styrer utsendelsen av lyspulser fra senderen og beregner utgangssignalet til mottakeren, som mottar de reflekterte lyspulser. Avstandsmålingen kan skje ved hjelp av løpetidmåling eller ved hjelp av fasesammenligningsmetoden. "Lys" er her slik å forstå at man ikke er begrenset til det synlige spektrumområdet, men i det minste også kan arbeide i infrarød-området.

Senderen til en avstandsmåler ifølge oppfinnelsen kan hva den prinsipielle oppbygging angår oppvise store forskjeller. I alle tilfeller har den imidlertid (fig. 1-5) en kollimator 1 og en foran denne anordnet, av minst to deler lyskilder bestående lyskilde, så vel som en i strålegangen mellom lyskilden og kollimatoren anordnet strålesamleoptikk 2. Hver dellyskilde inneholder en laserdiode, vanligvis en kantemitter, eller også flere slike laserdioder anordnet etter hverandre i emisjonskant-retningen. Den for samtlige laserdioder felles bølgelengder ligger i infrarød-området, fortrinnsvis mellom 850 nm og 980 nm eller ved 1 '550 nm. Tverrsnittet til den fra en laserdiode utgående lysstråle kan reduseres parallelt med emisjonskanten og derved økes på tvers av denne, slik at lysstrålen konsentreres kraftigere. Dette kan gjennomføres ved hjelp av en nært inntil emisjonskanten anordnet stråleformingsoptikk som baserer seg på lysavbøyning eller - bryting.

Ved bølgelengder mellom 850 nm og 980 nm kan strålen være kraftig samlet, hvilket muliggjør et distanseraster med høy lateral oppløsing. Meget fordelaktig er også bølgelengder på 1 '550 nm, fordi da den med hensyn til øyensikkerheten gitte øvre grense for den tillatte enkeltpulsenergi med ca 8 mJ ligger en faktor på ca 16'000 høyere enn ved bølgelengder mellom 630 nm og 980 nm. Den i det minste delvise utnyttelse av denne faktor, som muliggjøres ved oppfinnelsen, tillater en meget betydelig øking av rekkevidden eller - ved gitt rekkevidde - øking av målenøyaktig-heten.

Ifølge det første skjema (fig. la) består lyskilden av to umiddelbart ved siden av hverandre anordnede dellyskilder 3a, b. Strålesamleoptikken 2 er utformet som en for begge dellyskilder felles samleoptikk 4, som samler de fra dellyskildene utgående delstråler 5a, b i kollimatorens 1 objektplan 6. Det faller slik inn i kollimatorens 1 apertur at hver enkelt av delstrålene 5a, b fyller aperturen i stor grad og deres tverrsnitt således overlapper hverandre betydelig. Etter kollimatoren 1 går delstrålene 5a og b videre fra hverandre, men bare i en slik grad at deres tverrsnitt vil ligge umiddelbart ved siden av hverandre i målet (fig. lb). Den fra senderen utgående lysstråle vil i målet oppvise en omtrent dobbelt så stor lysstrøm som en fra en enkelt laserdiode utgående lysstråle.

I det andre skjema (fig 2a) er dellyskildene 3a, b anordnet lengre fra hverandre. Hver dellyskilde er tilordnet en egen samleoptikk 4a; b, som samler den utgående delstråle 5a henholdsvis 5b i kollimatorens 1 objektplan 6. Delstrålene 5a, b treffer hverandre i kollimatorens 1 apertur, på en slik måte at de i hovedsaken fullstendig fyller aperturen og deretter etter kollimatoren 1 parallelt danner en lysstråle med et rundt tverrsnitt (fig. 2b), som i målet ikke bare har en omtrent dobbelt så høy lysstrøm som den fra en enkelt laserdiode utgående lysstråle, men også har et mer gunstig tverrsnitt.

Ifølge det tredje skjemaet (fig. 3) er dellyskildene 3a, b anordnet liggende overfor hverandre, og strålesamleoptikken 2 innbefatter relativt dellyskildene anordnede samle-optikker 4a; b samt et mellom disse anordnet prisme 7, som virker som omstyringselement. Prismet 7 har to refleksjonsflater 8a, b, som omstyrer de fra dellyskildene 3a, b kommende dellysstråler 5 a, b mot en ytterligere, felles samleoptikk 9, hvor dellysstrålene samles på lignende måte som for lyskilden ifølge det første skjema i kollimatorens 1 objektplan 6 og leder dem mot kollimatorens apertur, hvor dellysstrålene vil overlappe hverandre betydelig. Stråletverrsnittet vil da være som i fig. lb. Anvendelsen av et omstyringselement gjør det mulig å anordne dellyskildene 3 a, b forholdsmessig langt fra hverandre, hvilket letter kjølingen av laserdiodene.

Det fjærede skjema (fig. 4) tilsvarer i stor grad det tredje skjema. Forskjellen er fremfor alt at samleoptikkene 4a, b, 9 er annerledes innstilt, på en slik måte at det som for lyskilden ifølge det andre skjemaet praktisk talt ikke foreligger noen overlapping mellom dellysstrålene 5a, b, men kollimatorens 1 apertur fylles av delstrålene 5a, b, som treffer aperturene ved siden av hverandre, og deretter forplanter seg i hovedsaken parallelt, slik at det oppnås et stråletverrsnitt som i fig. 2b.

Fig. 5 viser, likeledes skjematisk, men dog litt mer detaljert, oppbyggingen av senderen i en avstandsmåler ifølge oppfinnelsen, utformet i samsvar med et ytterligere skjema. I tillegg til en kollimator 1 og en strålesamleoptikk 2 har avstandsmåleren dellyskilde 3a, b som sender ut loddrett mot hverandre rettede delstråler 5a, b med samme polaritet, samt to ytterligere dellyskilder 3c, d, som likeledes sender ut loddrett mot hverandre rettede delstråler 5c, d, hvis polarisering er ortogonal relativt polariseringen til delstrålene 5a, b. Dellyskildene 3a, b, c, d består av en respektiv laserdiode 10 og av en i en liten avstand etter denne anordnet sylinderlinse 11. Hver av dellyskildene 3a, b, c, d har en etter dellyskilden anordnet samleoptikk, 4a; b; c; d.

Som et første omstyringselement etter samleoptikkene 4a, b er det anordnet en plate 12a. Den er halvveis speilbelagt og halvveis gjennomslippelig, slik at den slipper igjennom delstrålen 5a, men omstyrer delstrålen 5b i en relativt delstrålen 5a parallell retning. Det etter samleoptikkene 4c, d anordnede andre omstyringselement er på samme måte som det første halvveis utformet som speil og halvveis utformet som en gjennomslippelig plate 12b. Platen 12b slipper igjennom delstrålen 5c mens delstrålen 5d omstyres til en retning parallelt med delstrålen 5c. Delstrålene 5a, b og delstrålene 5c, d vil umiddelbart ved siden av hverandre nå en polariseringsterning 13, hvor delstråleparene treffer hverandre i rett vinkel. Delstrålen 5a, b vil delvist overlagres de ortogonalt relativt delstrålene 5a, b polariserte delstråler 5c, d, som ved hjelp av en ytterligere samleoptikk 9 samles i kollimatorens 1 objektplan 6 og styres mot kollimatorens apertur, som på denne måten vil fylles i sterkt grad (fig. 6). I midten av den korsformede lysflekk vil det således ligge en omtrentlig kvadratisk flekk med dobbelt lystetthet, hvor to respektive delstråler med ortogonal polarisering overlagrer hverandre.

Ulike modifiseringer av de her beskrevne utførelseseksempler vil være mulig. Således kan man fremfor alt i forbindelse med skjemaene 1 til 4 benytte mer enn de to viste dellyskilder. Samlingen av delstrålene ved hjelp av omstyringselementer kan skje i kaskade for derved å kunne øke antall dellyskilder etc. Det kan også benyttes laserdioder med bølgelengder fremfor alt mellom 600 nm og 1000 nm og særlig mellom 630 nmog 980 nm, som ligger utenfor de foran angitte områder.

Claims (11)

1. Optisk avstandsmåler, innbefattende en sender med en lyskilde, samt en mottaker og en styre- og beregningsenhet, idet lyskilden innbefatter flere dellyskilder (3a, 3b, 3c, 3d), hver med en laserdiode, som alle sender med samme bølgelengde,karakterisert vedat senderen har en kollimator (1) nedstrøms av lyskilden og lyskilden har en strålesamlingsoptikk (2) som er anordnet etter dellyskildene og som samler delstrålene (5a, 5b, 5c, 5d) som er utsendt av dellyskildene (3a, 3b, 3c, 3d) og styrer nevnte delstråler inn i aperturen til en kollimator (1) slik at de o overlapper som mest så vidt og forplanter seg hovedsakelig parallelt etter kollimatoren, eller o substansielt overlapper og divergerer så vidt etter kollimatoren, slik at deres tverrsnitt er side ved side ved en mål-avstand.

2. Optisk avstandsmåler ifølge krav 1,karakterisert vedat bølgelengden ligger mellom 630 nm og 980 nm, særlig mellom 850 nm og 980 nm.

3. Optisk avstandsmåler ifølge krav 1,karakterisert vedat bølgelengden ligger på ca 1550 nm.

4. Optisk avstandsmåler ifølge et av kravene 1 til 3,karakterisert vedat strålesamlingsoptikken (2) innbefatter minst en i strålegangen mellom en eller flere dellyskilder (3a, 3b, 3c, 3d) og kollimatoren anordnet samleoptikk (4a, 4b, 4c, 4d, 9).

5. Optisk avstandsmåler ifølge krav 4,karakterisert vedat en samleoptikk (4) er hver gang anordnet umiddelbart etter flere dellyskilder (3 a, 3b).

6. Optisk avstandsmåler ifølge krav 4,karakterisert vedat en egen samleoptikk (4a; 4b; 4c; 4d) er anordnet umiddelbart etter hver dellyskilde (3a, 3b, 3c, 3d).

7. Optisk avstandsmåler ifølge et av kravene 1 til 6,karakterisert vedat strålesamleoptikken (2) innbefatter minst ett omstyringselement, som avbøyer minst en fra en dellyskilde (3a, 3b, 3c, 3d) utgående delstråler (5a; 5b; 5c; 5d).

8. Optisk avstandsmåler ifølge krav 7,karakterisert vedat det i det minste ene omstyringselement er utformet som en prisme (7) med flere refleksjonsflater (8a, 8b).

9. Optisk avstandsmåler ifølge krav 7 eller 8,karakterisertved at det i det minste ene omstyringselement er utformet som en i det minste delvis som speil utformet plate (12a, 12b).

10. Optisk avstandsmåler ifølge et av kravene 1 til 9,karakterisert vedat strålesamleoptikken (2) innbefatter minst ett overlagringselement for overlagring av delstråler (5a, 5b, 5c, 5d) med ulik, fortrinnsvis ortogonal polarisering.

11. Optisk avstandsmåler ifølge krav 10,karakterisertved at det i det minste ene overlagringselement er utformet som en polariseringsterning (13).