DE2502662A1

DE2502662A1 - Laser-entfernungsmesser

Info

Publication number: DE2502662A1
Application number: DE19752502662
Authority: DE
Inventors: Ronald Douglas Ward
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1974-01-24
Filing date: 1975-01-23
Publication date: 1975-08-14
Also published as: SE7500639L; FR2259372A1; GB1477201A; NO750193L; FR2259372B1

Description

PATENTANWÄLTE

DIPL-ING. LEO FLEUCHAUS Drt.-iNG.hANSi.EYri

DIPL.-ING. ERNST RATHMANN

München 71, Melchiorstr. 42

Unser Zeichen: A 13 061

Ferranti Limited

Hollinwood-Lancashire

England

Laser-Entfernungsmesser

Die Erfindung betrifft einen Laser-Entfernungsmesser, bei dem ein Strahlungsimpuls mit einer Wellenlänge im sichtbaren oder nahe dem sichtbaren Bereich auf ein Ziel abgegeben und von diesem reflektiert wird.

Laser-Entfernungsmesser sind bekannt und arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip wie Radar. Ein Impuls einer kohärenden Strahlung im sichtbaren oder nahe dem sichtbaren Wellenlängen-Bereich wird auf ein Zielobjekt abgegeben. Ein Teil der Strahlung wird zum Entfernungsmeßgerät zurückreflektiert, wo es aufgenommen und die Zeit zwischen dem Aussenden des Strahlungsimpulses und der Ankunft der reflektierten Energie gemessen wird, wobei diese Zeit ein Maß für den Abstand bzw. die Entfernung des Zieles vom Meßgerät darstellt.

Bei den bekannten Laser-Entfernungsmessern werden zwei optische Systeme verwendet, nämlich eines für die ausgesendete auf das

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Ziel gerichtete Strahlung und das andere für die Messung der vom Ziel reflektierten Strahlung, wobei das letztere außerdem dazu dient, den Entfernungsmesser auf das Ziel auszurichten. Die Verwendung von zwei optischen Systemen macht wegen der Schwierigkeit, die ausgesendete Strahlung und die reflektierte Strahlung zu trennen einen solchen Entfernungsmesser sehr teuer.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Laser-Entfernungsmesser unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile einfacher auszubilden als dies bisher möglich war.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei einem Laser, der eine polarisierte Strahlung abgibt, eine strahlungsempfindliche Einrichtung vorgesehen ist, die auf die von einem Ziel reflektierte Strahlung anspricht und daß ein einziges optisches System für die ausgesendete und die reflektierte Strahlung vorgesehen ist.

Vorzugsweise enthält der Entfernungsmesser einen strahlaufspaltenden Polarisator sowie Einrichtungen zum Umwandlen von planpolarisierter abgegebener Strahlung, die aus dem Polarisator austritt, in zirkulär polarisierte Strahlung.

Eine beispielsweise Ausfuhrungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt.

Fig. 2 zeigt eine modifizierte Ausführungsform der Anordnung nach Fig. 1 und

Fig. 3 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 verwendet der Entfernungsmesser einen Q-geschalteten Laser 10 irgendeines geeigneten Typs. Die optische Achse des Entfernungsmessers ist mit 11 bezeichnet und die meisten der optischen Komponenten des Entfernungsmessers sind längs dieser Achse angeordnet. Ein strahlaufspaltender Polarisator 12, wie z.B. ein Nicol'sches oder Glan'sches Prisma ist benachbart zu

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dem Laser angeordnet, so daß die von dem letzteren ausgesendeten Strahlungsimpulse in den Polarisator 12 eintreten. Auf den Polarisator folgt eine Viertelwellen-Platte 13, deren schnelle und langsame Achse in einem Winkel von 45° zur Durchgangsebene des Polarisators geneigt sind. Hierauf folgen Linsen 14 und 15, die ein optisches Teleskop bilden. Benachbart zu dem Polarisator 12 aber außerhalb der optischen Achse 11 ist eine Linse 16 und ein photoempfindlicher Detektor 17 angeordnet. Zwischen dem Laser 10 und dem Polarisator 12 kann ferner ein polarisiertes Element angeordnet werden. Die verschiedenen optischen Komponenten sind so angeordnet, daß die nachfolgend beschriebenen Wirkungen entstehen.

Der Laser 10 gibt Impulse einer polarisierten kohärenten Strahlung ab, beispielsweise im infraroten Bereich des Spektrums. Diese Strahlung trifft auf den Polarisator 12 und wird im wesentlichen ohne Verlust ausgesendet. Eine etwaige Streustrahlung, die nicht polarisiert oder schlecht polarisiert ist, wird längs des nach oben gerichteten Pfeiles aus dem System (Polarisator 12) abgelenkt. Die aus dem Polarisator austretende planpolarisierte Strahlung geht durch die Viertelwellenlängen-Platte 13, die sie in eine zirkulär polarisierte Strahlung umformt. Diese geht durch das optische Teleskop in Richtung auf ein Ziel X, dessen Entfernung zu bestimmen ist.

Es wurde festgestellt, daß bei einer Refelxion vom Ziel zurück zum Entfernungsmesser die Polarisation eines beachtlichen"Teiles, z.B. 60 bis 80% der Strahlung unverändert bleibt. Diese reflektierte Strahlung, die nur einen sehr kleinen Teil der ausgesendeten Strahlung darstellt, läuft durch das optische Teleskop des Entfernungsmessers zurück. Beim Durchgang durch die Viertelwellen-Platte 13 wird die Polarisation geändert von zirkulär auf plan, wobei die Ebene der Polarisation des Hauptteiles der Strahlung senkrecht zu derjenigen der ausgesendeten Strahlung steht, die aus dem Polarisator 12 austritt. Diese Strahlung wird dann durch den Polarisator 12 umgelenkt und durch die Linse

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auf eine photoempfindliche Einrichtung 17 fokussiert. Der kleinere Teil der Strahlung, dessen Polarisation sich bei der Reflexion geändert hat, tritt aus der Viertelwellen-Platte 13 aus und zwar polarisiert in der Durchtrittsebene des Polarisators 12 und er läuft daher durch den Polarisator 12 hindurch in den Laser 10.

Der Polarisator 12 bildet somit eine Einrichtung zum Trennen der vom Ziel reflektierten und wieder empfangenen Strahlung in zwei Komponenten. Bei der vorbeschriebenen Anlage ist der Hauptteil der reflektierten Strahlung derjenige, dessen Polarisation bei der Reflexion am Ziel unverändert bleibt.

Wenn nun der Entfernungsmesser unter Bedingungen geringer Sichtbarkeit verwendet wird, beispielsweise bei der Anwesenheit von Wolken oder Dunst oder Rauch zwischen dem Entfernungsmesser und dem Ziel, so wird ein bestimmter Anteil der ausgesendeten Strahlung zum Entfernungsmesser zurückfeflektiert ohne daß er überhaupt das Ziel erreicht. Eine auf diese Weise zurückreflektierte Strahlung bleibt hinsichtlich ihrer Polarisation unverändert und geht durch die Platte 13 und zum Detektor 16, 17, wobei ein falsches Ergebnis entsteht. Hier wird nun die Tatsache benutzt, daß die Reflexion am Ziel bei etwa 20 bis 40% der reflektierten Strahlung die Polarisation ändert.

Läßt man die Viertelwellenlängen-Platte 13 weg, so kann planpolarisierte Strahlung durch das optische System hindurchlaufen zu den Wolken und dem Ziel. Die von den Wolken reflektierte Strahlung hat dieselbe Polarisationsebene wie die ausgesendete Strahlung und läuft somit durch den Polarisator zurück in den Laser. Dasselbe gilt für den großen Teil der vom Ziel reflektierten Strahlung, deren Polarisationsebene unverändert ist. Die reflektierte Strahlung jedoch, deren Polarisationsebene geändert wird, wird reflektiert und zwar polarisiert in einer Ebene mehr oder weniger senkrecht zu derjenigen der ausgesendeten Strahlung. Diese Strahlung wird da-

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her beim Empfang durch den Polarisator zum Detektor umgelenkt, um eine wahre Anzeige des Zieles zu liefern. Obwohl daher nur ein kleiner Anteil der reflektierten Strahlung verwendet wird, kann die Entfernung des Zieles somit bestimmt werden. Anstatt die Viertelwellen-Platte zu entfernen kann sie auch um 45^Ö gedreht werden, was dieselbe Wirkung hat.

Bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen wird davon ausgegangen, daß der Laser 10 eine polarisierte Strahlung emittiert, d.h. der Polarisator bildet einen Teil des Lasers selbst. Wenn ein nicht polarisierter Laser benutzt wird, so wirkt der strahlteilende Polarisator 12 selbst als Polarisator, wobei jedoch Energie verloren geht.

Fig. 2 zeigt den vollständigen Entfernungsmesser zusammen mit einem Laser, der polarisierte Strahlung emittiert.

Der Laser ist ein solcher mit Q-Schaltung mit einem aktiven Medium 20, das durch eine Blitzröhre 21 erregt werden kann. Die Stirnreflektoren des optischen Hohlraumes sind rechtwinkelige Prismen 22 und 23, deren am rechten Winkel liegende Scheitellinien im wesentlichen senkrecht zueinander angeordnet sind. Der strahlaufspaltende Polarisator 12 ist im optischen Hohlraum zwischen dem aktiven Lasermaterial 20 und einer Q-Schaltzelle 24 angeordnet. Die Zelle 24 ist so angeordnet, daß ihre schnelle Achse parallel zu den Scheitellinien von einem der Prismen 22 oder 23 liegt. Vorzugsweise ist der Polarisator 12 so angeordnet, daß eine Durchtrittsebene im wesentlichen unter 45° zu der schnellen und der langsamen Achse der Zelle 24 liegt. Der Laser umfaßt ferner zwei rechtwinkelige Prismen 25 und 26.

Die Viertelwellen-Platte und das optische System wurden oben bereits beschrieben. Die reflektierte Strahlung, die in den Entfernungsmesser eintritt und auf den Polarisator 12 trifft und

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die dieselbe Polarisationsebene hat wie die vom Laser ausgesendete Strahlung wird in den optischen Hohlraum des Lasers zurückreflektiert, während die auf das Prisma 12 auftreffende Strahlung, deren Polarisationsebene senkrecht zu derjenigen der ausgesendeten Strahlung liegt, durch den Polarisator 12 zum Detektor 16, 17 gelenkt wird. Um eine eventuelle Beschädigung des Detektors infolge einer nicht polarisierten oder falsch polarisierten Streustrahlung zu vermeiden, die innerhalb des Lasers eventuell erzeugt wird, kann ein separater strahlaufteilender Polarisator verwendet werden. Dieser würde dann zwischen der Viertelwellen-Platte 13 und dem Polarisator 12 derart angeordnet werden, daß er die rückkehrende Strahlung direkt zum Detektor lenkt, so daß diese nicht durch eine Strahlung innerhalb des Laserraumes beeinflußt wird.

Die vorgenannte Ausfuhrungsform arbeitet in derselben Weise wie oben beschrieben wurde. Die Viertelwellen-Platte kann entfernt oder um 45° in Fällen schlechter Sichtbarkeit gedreht werden, wie bereits beschrieben wurde. Das aktive Lasermaterial braucht kein Feststoff sein, sondern es sind auch Gase und andere aktive Materialien mit entsprechenden Erregereinrichtungen verwendbar.

Die Oberflächen der optischen Elemente können beschichtet sein, wie es üblich in optischen Systemen ist, die mit polarisiertem Licht arbeiten.

um den Entfernungsmesser in der richtigen Richtung auszurichten, können Visiereinrichtungen für den Beobachter vorgesehen werden. Hierzu kann ein separates Visierteleskop verwendet werden, das an der Vorrichtung angebracht ist. Es ist jedoch wirtschaftlicher, das vorhandene optische System zum Ausrichten der Vorrichtung bzw. zum Anvisieren des Zieles zu benutzen. Fig. 3 zeigt einen Entfernungsmesser, der mit einer solchen Visiereinrichtung versehen ist. Der Entfernungsmesser ist von der Art, wie sie anhand von Fig. 1 beschrieben wurde. Ein kubischer Strahlaufspalter 31

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ist in dem opfcfechen System so angeordnet, daß er eine infrarote Laserstrahlung, die entweder gesendet oder empfangen wird, reflektiert, während er sichtbares Licht zu einem Beobachter 32 durchläßt. In der Beobachtungsbahn kann aus Sicherheitsgründen ein Infrarot-Filter 33 angeordnet werden. Bei dieser Ausführungsform ' wird ein einziges optisches System zum Senden, zum Empfang und zum' Visieren benutzt, obwohl gegebenenfalls im Beobachtungsweg noch weitere Elemente, wie 34 erforderlich sein können.

Die elektronische Schaltung zur effektiven Bestimmung der Entfernung des Zieles ist nicht dargestellt, da sie bekannt ist und keinen Teil der Erfindung bildet. Eine solche Schaltung steuert die Emission der Strahlungsimpulse des Lasers und sie spricht auf die vom Detektor empfangene Strahlung an.

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Claims

Patentansprüche

1.■ Laser-Entfernungsmesser mit einem Laser zum Aussenden von

Impulsen einer polarisierten Strahlung sowie Einrichtungen, die auf die von einem Ziel zurückreflektierte Strahlung ansprechen, dadurch gekennzeichnet , daß für
die gesendete und die reflektierte Strahlung ein gemeinsames optisches System vorgesehen ist.

2. Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die auf die reflektierte Strahlung
ansprechende Einrichtung eine Einrichtung aufweist, um
die empfangene Strahlung, deren Polarisation unverändert
geblieben ist, von der empfangenen Strahlung zu trennen,
deren Polarisation geändert worden ist, wowie mit Einrichtungen, um eine der beiden getrennten Strahlungskomponenten der empfangenen Strahlung aufzufangen..

3. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Trennen der Strahlungskomponenten einen Polarisator (12) aufweist.

4. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die vom Laser emittierten Strahlungsimpulse durch den Polarisator (12) hindurchgehen.

5. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß der strahlaufteilende Polarisator im optischen Hohlraum des Lasers (10) angeordnet ist.

6. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 4 oder 5, gekennzc-.e i c h η e t durch Einrichtungen, um ausgesendete planpolarisierte Strahlung, die aus dem Polarisator austritt, in zirkulär polarisierte Strahlung umzuformen.

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7. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Umformeinrichtung in dem gemeinsamen optischen System angeordnet ist.

8. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Umformeinrichtun eine Viertelwellenlängen-Platte (13) aufweist.

9. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 2 bis 8-, dadurch gekennzeichnet , daß der Detektor eine photoempfindliche Einrichtung (17) aufweist.

10. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Laser eine Strahlung im infraroten Bereich des Spektrums emittiert.

11. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß Visiereinrichtungen vorgesehen sind, um das Ziel längs der optischen Achse des gemeinsamen optischen Systems anzuvisieren.

12. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Visiereinrichtung eine Einrichtung (31) aufweist, um die infrarote und die sichtbare Komponente der empfangenen Strahlung zu trennen.

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