SE521173C2 - Elektronisk distansmätanordning - Google Patents

Description

20 25 521 175§fi§§jíflfi@¥¿.:; 2 - Ljuskällans emitterande area måste ha en viss bredd för att vara i stånd att åstad- komma en effekt som är tillräckligt hög för ett rimligt avstånd. Detta leder till ett strålknippe med en ganska bred divergens och till att mätpunkten, dvs. den upp- lysta arean, kommer att ha en stor diameter när avståndet till målet är långt.

- Den emitterade konvinkeln från ljuskällan är bred. Detta leder till en stor dia- meter hos sändarens optiska system, om man vill emittera ett snävt strålknippe (en lång fokallängd) och samtidigt ha en uteffekt som är tillräckligt hög för att ge ett tillförlitligt mätresultat. Detta leder i sin tur till en bred stråldiameter vid må- let när mätningar görs mot näraliggande mål.

- Ljussändaren och ljusmottagaren använder olika optiska systemenheter eller oli- ka delar av samma optiska system med någon slags skiljevägg mellan sig. När sändarens och mottagarens optiska system justerats för att vara parallella med varandra i syfte att åstadkomma en maximal signalamplitud, när mätning sker mot avlägsna mål, kommer mottagaren inte att ”se” den upplysta arean när mät- ningar görs mot näraliggande mål. Detta innebär att en reflekterad signal inte kommer att erhållas när mätningen görs mot näraliggande mål, placerade på ett avstånd som är kortare än ett bestämt avstånd från avståndsmätaren.

Beskrivning av näraliggande teknik En del ansträngningar har gjorts för att eliminera de ovan beskrivna nackdelarna.

EP-701 702 (Leica AB) beskriver ett system, i vilket en laserdiod används med en våglängd som ligger inom det synliga våglängdsbandet. Emellertid åstadkommes detta med kravet att en fasmätande distansmätare måste användas, efiersom laser- dioder, som emitterar inom det synliga våglängdsbandet, inte är i stånd att åstad- komma pulseffekt som är tillräckligt hög för utbredningstidsmätningar inom rimliga avstånd, t.ex. överskridande 50 m. Detta system medger emellertid användning av ett bra kollimerat strålknippe men avståndet är för kort för flertalet tillämpningar. l0 15 20 25 30 521 173 3 EP-706 063 (Commissariat à FEnergie Atomique) beskriver en passivt Q-switchad mikrochiplaser för användning i en distansmätare. Fördelen är att denna slags laser genererar ett snävt, pulsat strålknippe med en liten divergens. Emellertid ger den passiva Q-switchningen ett problem på grund av det faktum, att den exakta tidpunk- ten för att emittera ljuspulsema inte kan styras. En lösning på detta problem för mät- ning mot näraliggande mål varken nämns eller diskuteras. Den elektroniska lösning- en antar detektering av separata pulser. Detta begränsar avståndsornrådet, eftersom det förutsätter att varje mottagen puls har en ainplitud som är högre än bakgrunds- bruset.

PCT/SE97/00396 (Geotronics AB) beskriver ett system, i vilket mottagna pulser skulle kunna ha en lägre amplitud än bakgrundsbruset. Detta system kräver att emis- sionstidsögonblicket för den emitterade pulsen är styrbart eller åtminstone väl defi- nierat och utan jitter. Ingressen till föreliggande huvudkrav är baserad på denna an- sökan.

Uppfinningens syften Ett syfie med uppfmningen är att åstadkomma ett elektroniskt distansmätningssys- tem, som löser alla ovan angivna nackdelar.

Ett syfte med uppfinningen är sålunda att åstadkomma ett elektroniskt distansmät- ningssystem med ett snävt utsänt strålknippe för att etablera en väl definierad mät- punkt på målet och i stånd att mäta mot näraliggande mål likaväl som mot avlägsna mål.

Ett annat syfte med uppfmningen är att åstadkomma ett elektroniskt distansmät- ningssystem, i vilket punkten på det mål, mot vilket en mätning skall göras, är syn- lig för systemoperatören, åtminstone under justering av inriktningen mot målet. 10 15 20 25 30 521 173 Uppfmningen Ovan angivna syften löses med ett EDM-system med de egenskaper som anges i det oberoende kravet. Ytterligare egenskaper och utvecklingar anges i resterande krav.

Uppfmningen är en utveckling av en elektronisk distansmätanordning, som mäter utbredningstiden till och från ett mål för en kort puls hos ett utsänt elektromagne- tiskt strålknippe från en strålkälla och innefattande ett optiskt objektivsystem for det reflekterade strålknippet från målet och en detekteringsenhet, mot vilken det mot- tagna strålknippet fokuseras. Denna anordning kärmetecknas av att strålningskällan är en pulsad ljuskälla med ett väldefmierat och exakt styrbart pulsemissionsögon- blick, och den utsända elektromagnetiska strålen är tillräckligt kollimerad för att åstadkomma en strålpunkt på målet, som är tillräckligt liten för att ge ett väldefmie- rat mätresultat.

Anordningen innefattar företrädesvis medel för att göra de utsända och mottagna elektroniska strålknippena koaxiella, och målanpassade medel för att tillåta det op- tiska systemet att rikta del av det mottagna strålknippet reflekterad från målet mot detektormedlet, oberoende av huruvida målet är näraliggande eller avlägset. Det målanpassade medlet kan innefatta en flexibel, optisk fiber kopplad till en detektor i detektorenheten. Den fria fiberänden kan flyttas manuellt eller medelst en aktiva- tor, såsom en motor, till en position i vilken mätpunkten på målet fokuseras.

Altemativt kan målanpassningsmedlet vara ett linsmedel fórflyttbart utmed det mot- tagande optiska systemets optiska axel och åstadkommande olika fokusering för oli- ka positioner, varvid målanpassningsmedlet är fórflyttbart manuellt eller automatiskt till en position, där det reflekterade strålknippet från målet fokuseras på detektoren- heten. Ett armat alternativ är att låta målanpassningsmedlet vara ett objektivlinssys- tem, i vilket delar av aperturen har olika fokallängder, så att både de kortaste och de längsta målgränserna, till vilka mätningar kan göras, fokuseras på detektorenheten 10 15 20 25 30 521 173 5 medelst någon del av aperturen. Exempelvis kan då ett ringformat linsorgan täckan- de en del av det inkommande strålknippet reflekterat från målet och i samverkan med det optiska objektivsystemet fokusera strålknippen, som kommer från det minsta avståndsorrirådet för ett näraliggande mål, på detektorenheten, under det att det optiska systemet, som inte täcks av den ringformade linsen, kan fokusera strålar som kommer fiån avlägsna mål på detektorenheten.

Det är möjligt att låta strålningskällan emittera ljus inom det synliga våglängdsban- det. Emellertid är det också möjligt att låta strålningskällrnedlet emittera synligt ljus under en justeringsperiod för att inrikta anordningen mot målet före de verkliga mät- ningarna och låta strålningskällmedlet emittera elektromagnetiska strålpulser i en våglängd utanför det synliga våglängdsbandet under de verkliga mätningarna. Det är också möjligt att använda två olika källor, en synlig för att peka och en IR-källa för mätning. Det är möjligt att låta dessa källor ernittera stråhiing samtidigt.

Sålunda är uppfinningen baserad på att använda en mikrochipslaser eller annan strålkälla med liknande egenskaper, där tidpunkten för att emittera en strålpuls är styrbar. Detta slags möjliga ljuskälla skulle kunna vara en aktivt Q-switchad laser eller en kombinerat aktivt och passivt Q-switchad laser av det slag som anges i den svenska patentansökningen nr 9702175-2 (SPECTRA PRECISION).

Fördelar med uppfinningen En ljuskälla som beskrivs i den ovan nämnda skriften genererar en ernitterad stråle med en liten diameter. Med hjälp av en strålvidgare kan stråldivergensen minimeras till en lämplig nivå och strålen kan ges en anpassad stråldiameter. Exempelvis är det möjligt att välja en divergens på 0,3 mrad och att ha en stråldiameter på mindre än 5 mm. Mikrochipslasern emitterar normalt ljus inom det infraröda (IR) våglängdsban- det. Emellertid kan en fiekvensdubblerande kristall anordnas vid utgången på lasem eller inuti laserkaviteten för att generera synligt ljus. 10 15 20 25 521 173 Kortfattad figgurbeskrivning För en mer fullständig förståelse av uppfinningen och, för ytterligare syften och för- delar med den refereras nu till följ ande beskrivning med bifogade ritningar, där: Fig. 1 visar ett optiskt arrangemang enligt en första utföriiigsform av uppfinningen; Fig. 2 visar en utföringsform i två olika steg, anpassad för att utföra mätningar till mål med kort avstånd resp. till mål med långt avstånd; Fig. 3 visar ett optiskt arrangemang enligt en andra utföringsforrn av uppfinningen; och F ig. 4 visar ett optiskt arrangemang enligt en tredje utföringsform av uppfinningen.

Detalierad beskrivning av utföringsforiner I fig. 1 ernitterar en ljuskälla 1, t.ex. en mikrochipslaser, företrädesvis en aktivt eller aktivt och passivt Q-switchad laser, en laserstrålknippe under styrning av en styren- het 2. Ljusstrålknippet matas via en strålvidgare 3, två prismor 4 och 5, vilka för- flyttar strålknippet parallellt till och centrerat med avseende på centrum hos en lins eller ett linssystem 6, som hör till det mottagande optiska systemet hos en mottag- ningsenhet. Prismat 5, nedan kallat sändningsprismat, genom vilket det av laser- systemet 1, 2, 3, 4, 5 emitterade strålknippet 7 utsänds mot målet, ger en liten skärmning av det mottagande optiska systemet 6.

Det återvändande strålknippet 8, reflekterat av målet, mottas av det mottagande, optiska systemet 6 utanför den skärmade centrurnarean. Det mottagande optiska systemet fokuseras på en mottagande detektorenhet 9, som i fig. l visas ha sin mot- tagningsände placerad vid linssystemets 6 fokalplan A. Detektorenhetens 9 utsignal matas till en ingång på styrenheten 2. Styrenheten 2 är företrädesvis en dator som utför beräkningen av avståndet till målet. 10 15 20 25 30 521 173 7 Det i denna utföringsforrn visade optiska systemet är koaxiellt och symmetriskt och åstadkommer en liten och väldefmierad mätpunkt på målet vilken t.ex. kan ha en diameter som är mindre än 30 mm vid ett avstånd på 100 m. Det optiska systemet i fig. 1 illustrerar strålbanorna vid fall av mätning mot ett mål på långt avstånd, i vil- ket fall det från målet återvändande strålknippet är praktiskt taget kollirnerat.

Ljuskällan 1 kan emittera ljus inom det synliga eller det infraröda (IR) våglängds- bandet i denna uttöringsfonn. Om den emitterar IR-strålning, kan operatören inte se ljuspunkten på målet. Ett sätt att övervinna denna nackdel är att åstadkomma en ex- tra ljuskälla ll 1 med synligt ljus, vilket då skulle kunna vara mera kontinuerligt än strålknippet från ljuskällan 1. Styrenheten 1 styr ljuskällan 111 att ernittera sin ljus- strålknippe in i den optiska banan genom en halvgenomskinlig eller dikroisk spegel 41 in i den optiska banan, när operatören justerar instrumentstrålknippet mot målet.

Därefter kan styrenheten 2 koppla bort ljusstrålen 111 och aktivera ljuskällan 1 for att göra de verkliga mätningarna mot målet. Det är emellertid även möjligt att ha ljuskällan lll aktiverad under hela mätproceduren.

Fig. 2 illustrerar situationen när mätningar åstadkommes mot ett näraliggande mål i förhållande till mot ett avlägset mål. När mätningen görs mot ett näraliggande mål, kommer det mottagande optiska systemet 6 att fokusera strålknippet till ett plan B placerat på större avstånd fiån linssystemet 6 än det fokalplan A, mot vilket lins- systemet kommer att fokusera kollirnerade infallande strålknippen.

Om detektorn är placerad vid fokalplanet A när mätningar görs mot näraliggande mål, blir den placerad i den strålkon som skuggas av det sändande prismat 5, och detektorn 9 kan ej mottaga någon mätsignal. Detta problem löses i den i fig. 1 visade utfóringsfonnen genom att ha detektorenheten rörlig mellan planen A och B.

Detektorenheten 9 kan då företrädesvis innefatta en optisk fiber 10 kopplad till en detektor ll. Den fria fiberänden är då vänd mot det infallande ljuset. Därigenom 10 15 20 25 30 .H0 521 173 8 kan detektorn med dess elektriska förbindningar vara stationär, och det är endast fiberänden som flyttas utmed den optiska axeln. Fiberänden är lättare att förflytta efiersom den ej har några elektriska förbindningar.

Förflyttningen kan göras manuellt av operatören, men den kan också åstadkommas automatiskt när styrenheten 2 har upptäckt att ingen signal har mottagits. Styranord- ningen 2 kan då pröva olika positioner genom att styra en aktivator 12, t.ex. en mo- tor, för att förflytta detektorenheten 9 tills en mätsignal detekteras, beräkna avstån- det till målet och därefier justera positionen med hjälp av aktivatom till fokalpunk- ten för detta avstånd för att åstadkomma ett mer exakt avståndsvärde, t.ex. för att få en maximal signal.

En annan utföringsfonn att åstadkomma en återfokusering av detektorenheten 9 är att koppla fiberänden mekaniskt till fokuseringsmekanismen hos det teleskop som normalt finns i systemet för att rikta instrumentstrålknippet mot målet (ej visat).

Vid den i fig. 3 visade andra utföringsforinen är detektorenheten 13 orörligt fixerad, och en lins 14 (eller ett linssystem) är rörligt placerad, manuellt eller automatiskt, mellan objektivlinsen 16 och detektorenheten 13 för att åstadkomma ett justerbart fokalavstånd. Detektom kan alltid placeras i fokus på detta sätt. (Det bör observeras att en rörlig lins i stället skulle kunna vara placerad utanför obj ektivlinsen 16 i den position som visas i fig. 4.) Detektorenheten 13 kan också i denna utföringsforin innefatta ett detektorelement med en framförvarande optisk fiber, såsom i utförings- formen i fig. 1 (ej visat).

I den i fig. 3 visade utföringsformen kan ljuskällan 17 vara en mikrochipslaser som emitterar IR-strålning och är försedd med en frekvensdubblerande kristall för att omforma laserljuset till synligt ljus. Dubbleringseffektiviteten är ej speciellt hög.

Både IR-strålning och synlig strålning kommer att emitteras från dubbleringskristal- len. Genom att använda olika filter 18 efter dubbleringskristallen är det möjligt att 10 15 20 25 521 173 9 låta antingen IR-stråhiingen eller den synliga strålningen emitteras eller båda. Filter kan omkopplas mellan pekande och mätning antingen manuellt eller via någon akti- vator styrd av kontrollers, såsom illustreras med pilen till höger.

Iden tredje utföringsformen, visad i fig. 4, är detektorenheten 20 också fast monte- rad i förhållande till obj ektivlinsen 21. Ett optiskt element 22 är utformat på sådant sätt att den del av strålknippet, som passerar genom den och linsen 21, avviker med en annan fokallängd än den del som passerar enbart genom linsen 21. Fokallängden hos det dubbla systemet 21, 22 är anpassad till näraliggande objekt. Genom lämplig optimering av fokallängderna och dimensionerna hos elementet 22 och genom an- vändning av aberrationer i det optiska systemet är det möjligt att uppnå en tillräck- ligt hög signal vid detektom/detektorfibern inom ett valt obj ektivavståndsintervall.

Det bör observeras att i stället för att ha det extra optiska elementet utanför objektiv- linjen 21 kan den placeras innanför denna lins, t.ex. i den position som visas för lin- sen 14 i fig. 3.

Det optiska elementet 22 är företrädesvis ringforrnat men i princip är andra former möjliga, t.ex. ett segment eller en hel cirkel. Det kan vara en del av en lins eller en kil, eller det kan vara ett diffraktivt, optiskt element. Naturligtvis kan det också vara kombinerat i ett stycke med elementet 21.

Fastän uppfinningen har beskrivits med hänvisning till specifika utföringsformer, är det underförstått för fackmarmen att olika ändringar kan göras och ekvivalenter kan bytas ut mot element därav utan att man går utanför ramen för uppfirmingen såsom den definieras i de bifogade kraven. Det bör observeras att styregenskaper beskrivna för de olika utföringsforrnema skulle kunna göras i alla utföringsformerna, både se- parat och i kombination. Det är också uppenbart för fackrnannen att de optiska sys- temen ej behöver vara linssystem. De skulle också kurma vara spegelsystem innefattande krökta speglar och strålkrökningselement.

Claims (10)

10 20 25 30 5 2 1,0 1 7 s PATENTKRAV

1. Elektronisk distansmätanordning i syfte att kunna mäta både mot näraliggande och avlägsna mål utan att en i strålgången centrerat placerad del (5), i centrum av ett optiskt objektivsystem (6;16;21) för ett från en målfläck på målet reflekterat strålknippe, utgör ett hinder för mätningen, innefattande a) medel (4,5) för att göra ett mot ett mål utsänt och från målet mottaget strålknippe koaxiella innefattande den i strålgången centrerat placerade delen (5), som skymmer strålgången för åtminstone en del av det från målfläcken reflekterade strålknippet för en detekteringsenhet (9;l3;20), till vilken det mottagna strålknippet överförs, b) vilken distansmätaranordning innefattar en laserstrålkälla, som sänder kortvariga pulser i förhållande till pulsmellanrum mot samma mätfläck på målet, och är anordnad att inäta utbredningstiden för pulserna till och från mätfläcken, kännetecknad av följande kombination: 0 medel (3) för att göra det emitterade strålknippet samtidigt så snävt och så kollimerat som möjligt för att få mätfläcken på målet så väldefmierad som möjligt; 0 medel (6,10, 12; l4,l6;21,22) för att vid varje mätning mot ett mål fokusera det från inätfläcken på målet reflekterade och mottagna strålknippet på detekteringsenheten (9;13;20).

2. Anordning enligt krav l, kännetecknad av att strålkällan (1) är en micro-chip- laserenhet med väldefinierade och exakt styrbara pulsemitteringsögonblick, varvid mottagna pulser kan ha en lägre amplitud än bakgrundsbruset.

3. Anordning enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av målanpassningsmedel (10,12; 14,16; 21,22) för att få det optiska systemet att fokusera åtminstone en del av det från målet reflekterade, mottagna strålknippet på detektorenheten (9,10,1 l;13; 20) oavsett om målet är ett näraliggande eller avlägset mål. 20 25 30 52111175

4. Anordning enligt krav 3, kännetecknad av att målanpassningsmedlet (10, 12) innefattar en flexibel ljusmottagande del (10), såsom en ytterände av en optisk fiber anordnad framför en detektor (11) i detektorenheten (9).

5. Anordning enligt krav 4, kännetecknad av en aktivator (12) för att flytta detektorenhetens (9) ljusmottagande del till en position, i vilken mätpunkten på målet fokuseras på den ljusmottagande delen, såsom ytteränden på den optiska fibern.

6. Anordning enligt krav 3, kännetecknad av att målanpassningsmedlet (14) är ett optiskt systemorgan förflyttbart utmed det mottagande optisk systemets optiska axel och ger olika fokusering för olika positioner.

7. Anordning enligt krav 3, kännetecknad av att målanpassningsmedlet (21, 22) innefattar ett optiskt objektivsystein, i vilket delar av aperturen har olika fokal-längder än resten, så att strålning från både de närmsta och de mest avlägsna målavstånd, till vilka mätningar skall göras. är riktade på detektorenheten (20).

8. Anordning enligt krav 7, kännetecknad av extra optiska systemmedel (22) täckande en del av det från målet reflekterade, inkommande strålknippet och i samverkan med det optiska objektivsystemet (21) är anordnat att rikta strålknippen kommande från den kortaste gränsen för näraliggande mål på detektorenheten (20) under det att det optisk obj ektivsystemet (21), som icke är täckt av det extra optiska systemmedlet (22), fokuserar strålknippen kommande från avlägsna mål mot detektorenheten (20).

9. Anordning enligt något av föregående krav, kännetecknad av att strålkällan (1 ;3;l7;18) emitterar strålning inom det synliga våglängdsbandet.

10. Anordning enligt något av kraven 1 - 8, kännetecknad av att 521 175 12 strålkällmedlet (17, 1 8) är anordnat att emittera synlig strålning under en justeringsperiod för att inrikta anordningen mot målet före den verkliga mätningen; och att strålkällmedlet är anordnat att emittera elektromagnetiska strålpulser inom ett våglängdsområde utanför det synliga våglängdsbandet under mätning. 1 1. Anordning enligt något av kraven 1 - 8, kännetecknad av en extra ljuskälla (1 1 l), som etnitterar strålning inom det synliga våglängdsoinrådet mot målet på mätpunkten, samtidigt med att strålkällan (1) emitterar strålning för avståndsmätning.