Einrichtung zur elektro-optischen Entfernungsmessung
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Einrichtung zur elektro-optischen Entfernungsmessung, bestehend aus einem Sender zur Emission eines Lichtsignals, einer Vorrichtung zur Modulation dieses Lichtsignals, einer Vorrichtung zum Empfang des vom Sender über die zu ermittelnde Entfernung laufenden und am Ort dieser Entfernung reflektierten Lichtsignals sowie aus einer Vorrichtung zum Vergleich des emittierten mit dem empfangenen Lichtsignal. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfinctung, elektro-optische Entfernungsmessgeräte, bei denen durch Vergleich der Phasenlage des vom Sender emittierten, amplitudenmodulierten Lichtsignals mit der Phasenlage des empfangenen Signals auf die vom Signal durchlaufene Strecke geschlossen wird, zu verbessern.
Im Wesen ziehen derartige Entfernungsmess- geräte die endliche Laufzeit des modulierten Lichtsignals vom Orte des Senders zum Orte der Entfernung zur Messung heran. Bei amplitudenmodu- lierten Lichtsignalen ergeben sich auf Grund dieser Erscheinung Phasendifferenzen zwischen dem emittierten und dem empfangenen Signal. Andere Verfahren variieren die Modulationsfrequenz und betrachten die Frequenzdifferenz zwischen dem Messund dem Vergleichssignal, die unmittelbar Rückschlüsse auf die vom Signal durchlaufene Strecke gestatten. In jedem Falle werden mit den bekannten Anordnungen zur Entfernungsmessung nicht nur diejenigen Laufzeiten ermittelt, die aus der durchlaufenen Strecke herrühren, vielmehr gehen auch innerhalb der Geräteteile auftretende Phasenverschiebungen bzw. Laufzeitänderungen in die Messung ein.
Aus diesem Grunde müssen derartige Geräte vor ihrem praktischen Einsatz geeicht werden, um die z. B. durch Schaltkapazitäten und andere Laufzeiteinflüsse verursachte additive Konstante, die in das Resultat der Entfernungsmessung eingeht, zu ermitteln.
Es ist offensichtlich bei diesen Geräten dann erforderlich, dass weder sender- noch empfängerseitig Phasenverschiebungen auftreten, die eine Vergrösserung oder Verkleinerung der vom Signal durchlaufenen Strecke vortäuschen. In elektro-optischen Entfernungsmessern treten solche Phasenverschiebungen besonders in dem lichtempfindlichen Element (Photozelle oder Sekundärelektronenvervielfacher) auf, das zum Empfang und zur Demodulation des modulierten Lichtsignals verwendet wird.
Die Elektronenlaufzeiten innerhalb derartiger lichtempfindlicher Elemente hängen in hohem Masse von deren Versorgungsspannung ab, und es war deshalb seit jeher das Bestreben, die Versorgungsspannungen so zu stabilisieren, dass man annehmen durfte, die additive Apparatekonstante sei keinen zeitlichen Veränderungen unterworfen, denn nur unter dieser Voraussetzung konnte man eine einwandfreie Entfernungsmessung erwarten.
Da derartige störende Phasenverschiebungen nun nicht nur an lichtempfindlichen Elementen auftreten, sondern auch andere Ursachen haben können, musste notwendigerweise jedes Schaltelement des Gerätes so ausgebildet sein, dass seine phasenschiebenden Eigenschaften auch bei Temperaturänderungen oder dergleichen konstant sind. Dieses führte zu einem für die praktische Verwendbarkeit derartiger Geräte als unerträglich anzusehenden Aufwand, durch den noch nicht einmal in sicherer Weise die Gewähr gegeben war, dass sich die Apparatekonstante nicht verändert. Die bekannten Geräte dieser Art mussten von Zeit zu Zeit mit Hilfe einer Strecke bekannter Länge nachgeeicht werden; ein Umstand, der sich für die praktische Verwendbarkeit, z. B. in technisch rückständigen Gebieten, als nachteilig erwiesen hat.
Es ist deshalb bei den bezeichneten Einrichtungen zur elektro-optischen Entfernungsmessung auch bereits bekannt, am Gerät Mittel zum Nachweis der bei Änderungen der Betriebszustandsbedingungen irgendeines die Laufzeit des Signals im Sende- und Empfängerteil beeinflussenden Geräteteils eintretenden Phasenverschiebung vorzusehen.
In bekannten Einrichtungen dieser Ausbildung wird zwischen dem Lichtsender und dem Lichtempfänger eine in den Weg des Lichtsignals einschaltbare Verzögerungseinrichtung, die an die Stelle der vom Lichtsignal zu durchlaufenden Strecke tritt, vorgesehen, die einen Vergleich zwischen der Laufzeit, die das Signal zum Durchlaufen der Messstrecke benötigt, und der Laufzeit, die an der Verzögerungseinrichtung auftritt, gestattet.
In Anordnungen dieser Art ist es erforderlich, dass die vorgesehene Verzögerungseinrichtung in ihrer Wirkung messbar veränderlich ist, das heisst, es muss durch Eingriff in die Einrichtung möglich sein, die Verzögerung stetig an Hand einer geeichten Skala zu verändern. Dieses ist wegen verschiedener Schwierigkeiten, besonders aber wegen der Notwendigkeit der thermischen Stabilisierung solcher Verzögerungseinrichtungen, nur schwer möglich, so dass die Reproduzierbarkeit der Einstellungen leidet, wodurch neuerlich Fehler entstehen können.
Es wird demgegenüber eine Einrichtung zur elektro-optischen Entfernungsmessung, bestehend aus einem Lichtsender zur Emission eines modulierten Lichtsignals, einem Lichtempfänger zum Empfang dieses über die zu ermittelnde Entfernung gelaufenen und am Ort der Entfernung reflektierten Lichtsign als, einer Vergleichsvorrichtung zum Vergleich der Modulation des gesendeten und der des wiederempfangenen Signals und baulich mit der Einrichtung vereinigten Mitteln zur direkten Über- führung des vom Sender gesendeten Signals zum Lichtempfänger vorgeschlagen, die sich dadurch kennzeichnet,
dass zwischen dem Lichtsender und dem Lichtempfänger Mittel zum Nachweis der bei Änderung von Betriebszustandsbedingungen irgendeines die Laufzeit des Signals im Sende- oder Empfängerteil der Einrichtung in störender Weise beeinflussenden Geräteteils eintretenden Phasenverschiebungen und Mittel zur Kompensation dieser Phasenverschiebungen vorgesehen sind.
Bei Einrichtungen nach der Erfindung bedarf es keinerlei reproduzierbar an Hand einer geeichten Skala einstellbarer Laufzeitstrecken.
Der Erfindungsgedanke lässt sich in zahlreichen Ausführungsformen praktisch realisieren. Einige der technisch vorteilhaften Möglichkeiten sollen nachstehend an Hand einiger spezieller, in der beiliegenden Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele an einem elektro-optischen Entfernungsmesser näher erläutert werden.
In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 in einem Blockdiagramm die wesentlichen Bestandteile eines der bekannten elektro-optischen Entfernungsmessgeräte,
Fig. 2 unter Weglassung des Messsignals, das über die zu ermittelnde Entfernung läuft und an einem nicht dargestellten Reflektor reflektiert wird, lediglich den Empfangs- und Sendeteil eines Ausführungsbeispiels des nach der Erfindung ausgebildeten Entfernungsmessgerätes,
Fig. 3 eine zweckmässige Abänderung des Gerätes nach Fig. 2,
Fig. 4 eine Variante zu Fig. 3 und
Fig. 5 eine weitere und bevorzugt angewendete Ausführungsform eines erfindungsgemässen elektrooptischen Entfernungsmessers.
In Fig. 1 bezeichnet 1 eine Lichtquelle, der die zu modulierende Strahlung, die über die zu ermittelnde Entfernung geschickt wird, entnommen ist.
2 bezeichnet einen der üblichen und in dieser Gerätetechnik bekannten Modulatoren. Es kann sich dabei beispielsweise um eine Kerrzelle handeln, die in Verbindung mit einem Polarisator und einem Analysator eine Modulation des Polarisationszustandes der von der Lichtquelle 1 emittierten Strahlung gestattet. Nach dem Austritt aus dem Analysator des Modulators 2, welcher Analysator selbstverständlich auch auf der Empfängerseite der Anordnung angeordnet sein kann, bewirkt die Gesamtheit des Modulators eine Intensitätsmodulation der durch diesen Modulator hindurchtretenden Strahlung. Der Einfachheit halber sei unterstellt, dass diese Modulation sinusförmig erfolgt. Es kann anderseits auch daran gedacht werden, dass der Modulator 2 aus einer Ultraschallzelle oder einer den Faraday-Effekt ausnutzenden Vorrichtung besteht.
Auch lassen sich die Erscheinungen der elektro-optischen Doppelbrechung an Kristallen, z. B. an Kalium-Phosphat oder Ammonium-Phosphat oder ähnliche, zur Modulation heranziehen. Unabhängig von der Art und Weise, in der die Modulation erfolgt, läuft im vorliegenden Ausführungsbeispiel die sinusförmig modulierte Welle über die zu ermittelnde Entfernung E und wird am Reflektor 3 reflektiert, läuft abermals über die Entfernung E und wird vom Empfänger 4 des Entfernungsmessgerätes empfangen. In der Fig. 1 ist der Einfachheit wegen der am Spiegel 3 reflektierte Lichtstrahl hinter dem Spiegel weiter gezeichnet. Im Empfänger 4 dient im allgemeinen ein Sekundärelektronenvervielfacher zum Empfang und zur Demodulation des zur Messung verwendeten Lichtsignals.
Das aus der Demodulation resultierende elektrische Signal wird einer Phasenvergleichseinrichtung 5 zugeführt, der gleichzeitig das Signal der Senderseite in Form einer elektrischen Spannung, die dem Oszillator 6 entnommen wird, zugeleitet wird. Der Oszillator 6 dient gleichzeitig der Steuerung des Modulators 2. Es sei bemerkt, dass die Einrichtungen 1, 2, 4, 5 und 6, wie in der Fig. 1 angedeutet, eine bauliche Einheit A bilden.
Um die eingangs erwähnten störenden Phasenvcrschiebungen aus der Messung zu eliminieren, wird nach Fig. 2 wie folgt vorgegangen: Zwischen dem Sender 7 der Fig. 2 und dem Empfänger 8 wird eine Laufzeitstrecke 9 unveränderlicher Länge eingeschaltet. Diese Laufzeitstrecke kann beispielsweise durch eine optische Lichtschleife konstanter Länge realisiert werden. Wird das den Sender 7 verlassende modulierte Signal über den Spiegel 10 durch die Laufzeitstrecke 9 und von dort über den Spiegel 11 zum Empfänger 8 geleitet, so werden bei geeigneter Wahl der Modulationsfrequenz im Sender 7 am Phasen indikator 12 gewisse charakteristische Phasendifferenzen zwischen dem durch 7 emittierten und dem von 8 empfangenen Signal nachweisbar sein.
Störende Laufzeitänderungen innerhalb der Geräteteile 7 bzw. 8 oder auf dem Wege von 7 zu 12 geben sich dann als fiktive Längenänderungen der Laufzeitstrecke 9 zu erkennen, falls das Lichtsignal mit der dem ehemaligen charakteristischen Phasenunterschied entsprechenden Frequenz moduliert wird. Es ist auf diese Weise möglich, jede Laufzeitänderung innerhalb des Gerätes nachzuweisen. Mit Hilfe des phasenschiebenden Elementes 13, das vor dem Lichtempfänger angeordnet ist, kann die Phasenlage des empfangenen Signals nun derart variiert werden, dass der eingangs erwähnte charakteristische Phasenunterschied wieder hergestellt wird und damit die fehlerverursachenden Laufzeitänderungen kompensiert werden. Das phasenschiebende Element 13 kann wieder nach Art einer optischen Lichtschleife, jedoch mit variabler Länge, ausgebildet sein.
Es ist nicht erforderlich, dass die Variation des Elementes 13 messbar erfolgt. Es ist nicht notwendig, den Kompensationsbetrag rechnerisch zu erfassen; denn durch das Element 13 wird auch dem über die zu ermittelnde Entfernung gelaufenen Messsignal eine entsprechende kompensierende Phasenverschiebung erteilt. Die reflektierenden Elemente 10 und 11 sind wahlweise in den Strahlengang des modulierten Signals einschaltbar und werden aus diesem für eine reale Messung, das heisst in dem Falle, in dem das Lichtsignal tatsächlich über die zu ermittelnde Entfernung laufen soll, entfernt.
Es ist ersichtlich, dass man bei einer derartigen Einrichtung nicht an das oben geschilderte Vorgehen der Phasenkompensation gebunden ist; vielmehr kann die Beeinflussung der Signallaufzeit zwecks Kompensation auch an einer andern beliebigen Stelle des Gerätes erfolgen, so z. B. durch phasenschiebende elektrische und/oder elektromagnetische Hilfsmittel, die insbesondere sender- und/oder empfängerseitig, beispielsweise auf den elektrischen Teil des Signals, einwirken.
Da es jedoch bei einigen heute gebräuchlichen elektro-oprischen Entfernungsmessgeräten, die der präzisen Ermittlung von Entfernungen in der Geodäsie dienen, üblich ist, Modulationsfrequenzen zu verwenden, deren äquivalente Wellenlängen in der Grössenordnung einiger Meter liegen, sind die Anforderungen, die an den Bau derartiger zeitlich unveränderlicher Laufzeitstrecken durch die Forderung nach der Konstanz, z. B. gegenüber Temperaturänderungen auch im Hinblick darauf, dass ihre Länge konstant ist, noch beachtlich. Um den absoluten Fehler der Messung klein zu halten, hat es sich erwiesen, dass es nicht immer zweckmässig ist, eine solche feste Laufzeitstrecke grösserer Länge zur Kontrolle bzw. Kompensation der störenden Laufzeiteinflüsse heranzuziehen.
Die Fig. 3 zeigt deshalb eine Einrichtung, bei der auf eine solche feste Laufzeitstrecke grösserer Länge verzichtet ist. Es bezeichnet 14 wieder den Sender des Gerätes, 15 den Empfänger und 16 die Phasenvergleichseinrichtung. Es ist für die Zwecke der Kontrollmessung ein Kurzschlussweg 17 vorgesehen, über den das modulierte Lichtsignal durch ein phasenschiebendes, vor dem Empfänger 15 angeordnetes Element 18 unmittelbar zum Empfänger 15 läuft. Praktisch wird bei derartigen Geräten das Licht ohne Zwischenschaltung einer Laufzeitstrecke konstanter Länge nach dem Verlassen des Senders mittels der Spiegel 19 und 20 zum Empfänger 15 gelenkt. Die Spiegel bilden mit dem Gerät eine bauliche Einheit. Die Skizze bezieht sich wieder auf den Eichstrahlengang unter Weglassung des bei der Messung über die Entfernung laufenden und dort reflektierten Signals.
Die Funktion der so skizzierten Einrichtung ist folgende: Durch Modulation des Lichtsignals mit einer bestimmten vorgegebenen Frequenz, der Eichfrequenz, lassen sich Phasendifferenzen zwischen der Sender- und Empfängerseite mit Hilfe von 16 nachweisen, die einen bestimmten charakteristischen Wert besitzen mögen.
Dieser Wert sei als sogenannter Eichwert bezeichnet.
Ändern sich z. B. infolge von Temperatureinflüssen die Laufzeiten der Signale in 14, 15 bzw. 16, so ist es möglich, mit Hilfe des optischen Phasenschiebers 18 wieder auf den Eichwert der Phasendifferenz einzustellen und somit diese Einflüsse zu kompensieren. Voraussetzung für die Wirksamkeit eines derartigen Vorgehens ist, dass die Eichfrequenz reproduzierbar ist, jedoch muss diese Forderung ohnehin an den Modulationsoszillator im Sender 14 gestellt werden.
Die Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der oben beschriebenen Einrichtung, die Bezifferungen sind die gleichen wie in Fig. 3. Es bezeichnet jedoch 18' einen elektrischen Phasenschieber, der beispielsweise nach Art bekannter Verzögerungseinrichtungen aus einem aus Serienschaltungen von Induktanzen und Parallelkapazitäten zusammengesetzten Netzwerk besteht.
Für die praktische Ausführung der bisher beschriebenen Einrichtungen ist es zweckmässig, dass das phasenschiebende kompensierende Element nicht wie in den Fig. 2 und 3 an einer Stelle des Gerätes angebracht ist, an der es auf ein zur Messung verwendetes Lichtsignal, das über mitunter beträchtliche Entfernungen läuft, einwirkt. In diesem Falle er geben sich Intensitätsminderungen der zur Messung verwendeten Strahlung. Die Schwächung der Messstrahlung wirkt sich auf ihren Empfang begreiflicherweise ungünstig aus und beschneidet die Anwendbarkeit des elektro-optischen Entfernungsmessgerätes zum Zwecke des Ausmessens grösserer Entfernungen.
Auch der Vorschlag, die Beeinflussung der Phasenanzeige an anderer Stelle, z. B. durch elektrische oder magnetische Hilfsmittel zwischen Sender und Phasenindikator durch Veränderung der Phasenlage des vom Sender dem Vergleichsindikator zuzuführenden elektrischen Vergleichssignals vorzunehmen, stösst bei solchen Geräten, die für die Zwecke der Landesvermessung verwendet werden und deren Modulationsfrequenzen veränderlich sind, durch die Anforderungen, an die frequenzunabhängige Arbeitsweise der Verzögerungseinrichtungen auf technische Schwierigkeiten, die sich mit erträglichem Aufwand nur bereichsweise beseitigen lassen und die damit den Anwendungsbereich des Gerätes wieder einschränken.
Es wird deshalb im weiteren vorgeschlagen, das vom Sender der Phasenvergleichseinrichtung zuzuführende Vergleichssignal in Form eines Teillichtstromes aus dem vom Sender emittierten Lichtstrom abzuzweigen und der Vergleichsvorrichtung über ein gesondertes lichtempfindliches Element zuzuführen.
Die Fig. 5 zeigt eine derartige Ausführungsform.
Es bezeichnet 21 den Sender des Gerätes, 22 den Empfänger, und 23 kennzeichnet die Phasenvergleichseinrichtung. Die Skizze bezieht sich wieder auf den Eichstrahlengang. Das Vergleichssignal wird über ein reflektierendes Element 24 aus dem vom Sender emittierten Lichtstrom abgezweigt, läuft über ein phasenschiebendes Element 25, z. B. eine variable optische Lichtschleife, und wird über 26 in einen zweiten Empfänger 27 geführt, der beispielsweise in Analogie zur Einrichtung 22 einen Sekundärelektronenvervielfacher enthält. Im Bedarfsfalle kann dieser jedoch auch durch ein anderes lichtempfindliches Element ersetzt werden.
Da es nicht erforderlich ist, grosse Intensitäten mittels des Elementes 24 aus dem Hauptlichtstrom abzuzweigen, ist es zweckmässig, als strahlungsteilendes Element 24 eine schräg in den Strahlungsstrom gestellte Glasplatte zu wählen, die auf Grund ihrer natürlichen Reflexion einen Teil der Strahlung reflektiert. Zur weiteren Verminderung der Reflexion kann sie an ihrer reflektierenden Fläche vergütet sein. Die Funktion dieser Einrichtung ist derjenigen der Fig. 3 bzw. 4 ähnlich mit dem Unterschied, dass hier durch das phasenschiebende Element 25 keinerlei störende Intensitätsminderungen am Messsignal erfolgen bzw. diejenigen Schwierigkeiten vermieden werden, die aus der nicht vollkommen frequenzunabhängigen Arbeitsweise elektrischer bzw. elektromagnetischer phasenschiebender Elemente resultieren.
In Fig. 5 bezeichnen weiterhin 28 und 29 die in den Strahlengang zu Eichzwecken einschaltbaren reflektierenden Elemente zur Erzeugung des Kurzschlussweges 17.
Es ist ersichtlich, dass mit den vorgeschlagenen Hilfsmitteln es in einfacher Weise möglich ist, sowohl an elektro-optischen Entfernungsmessgeräten, bei denen Variationsmöglichkeiten, der Modulationsfrequenzen vorgesehen sind und auch bei solchen, bei denen diese Möglichkeit nicht vorhanden ist, das heisst bei denen eine oder mehrere geeignet gewählte feste, mittels Quarzoszillatoren oder dergleichen erzeugte Modulationsfrequenzen vorhanden sind, eine einfache Kontrolle der fehlerverursachenden Betriebszustandsänderungen irgendeines Schaltelementes oder Geräteteils der beschriebenen Anordnung durchzuführen ist. Insbesondere werden also alle aufwendigen Stabilisierungsmassnahmen überflüssig, die es bezwecken, den einzelnen Schaltelementen bzw. Betriebsspannungen des Gerätes konstante Eigenschaften zu verleihen.
Mit den Hilfsmitteln nach der Erfindung ist es möglich, die notwendige Forderung nach der absoluten zeitlichen Konstanz aller Schaltelemente dahingehend abzuschwächen, dass nunmehr nur noch die hinreichende Konstanz dieser Elemente für die Dauer etwa einer Messung verlangt werden muss. Es führt im Endeffekt zu einer nicht unbeträchtlichen Verminderung der Apparatedimension und zu einer Herabsetzung des Gewichtes solcher Geräte.