NO336897B1 - Optisk avstandsmåler - Google Patents

Abstract

For å forbedre målbelysningen oppviser en lyskilde (2) av en sender med en som kantsender med en bølgelengde på 1'550 nm tildannet laserdiode (3) en etterkoblet stråleformingsoptikk (4) som omfatter en sylinderlinse (7) samt et første avbøyningselement (8) med et felt med forskjellige bøyningsstrukturer. Avbøyningselementet avbøyer delstrålene som kommer fra suksessive segmenter av emisjonskanten slik at feltene i et andre avbøyningselement (10) som befinner seg nær hverandre og loddrett på emisjonskanten og som har forskjellige avbøyningsstrukturer. Det andre avbøyningselementet retter delstrålen til aperturen av en kollimator (1) slik at delstrålene i det vesentlige fyller aperturen. Det første avbøyningselement (8) og en holder (6) for sylinderlinsen (7) er i et stykke og er, på samme måte som det andre avbøyningselement (10), laget av plast. Begge deler er festet til motsatte frontflater av en blokk (5) av glass.

Description

Teknisk område

Foreliggende oppfinnelse angår en optisk avstandsmåler slik den for eksempel anvendes ved oppmåling av grunnstykker, landområder og bygninger.

Kjent teknikk

Optiske avstandsmålere har vært kjent i lang tid i forskjellige typer. De som lyskilder anvendte laserdioder har dog den mangel at lysstrålen som trer ut ved emisjonskanten oppviser et meget langt og smalt tverrsnitt. Dette fører til dårlig målopplysning, da kun en del av lysstrålen faller på målet og derved påvirker rekkevidden og målenøyaktig-heten. I tillegg kan målingen også forstyrres av refleksjon av deler av strålen som ikke har truffet målet, og som for eksempel reflekteres fra andre, fjernere gjenstander.

I DE 4316348 Al er det vist et eksempel på optisk avstandsmåler hvor en halvleder laser produsert strålingsmåling er bundlet med en enkel kollimator.

DE 195 00 513 C viser et optisk arrangement for kollimeringen av laserstråler i flere arrangerte emittere eller emittergrupper.

DE 198 00 590 Al viser en et optisk arrangement hvor strålen til en eller flere høyeffektlasere er anordnet ovenpå hverandre.

DE 196 45 150 er relatert til et optisk rekke for symmetri sering av strålene i et flertall i sekvensielt ved siden av hverandre anordnede laserdioder.

Beskrivelse av oppfinnelsen

Oppfinnelsen har til oppgave å tilveiebringe en optisk avstandsmåler der det oppnås en bedre belysning av målet enn ved de kjente avstandsmålere.

Fordelen som oppnås ved oppfinnelsen ligger fremfor alt i en avgjørende forbedring av rekkevidden, det vil si den maksimale måleavstand eller, ved gitt rekkevidde, en øket målenøyaktighet.

Oppfinnelsen er beskrevet i uavhengige krav 1.

Fordelaktige utførelsesformer er videre beskrevet i de uavhengige kravene 2-17.

Kort beskrivelse av figurene

I det følgende skal oppfinnelsen beskrives nærmere ved hjelp av figurer som viser et utførelseseksempel. I figurene viser

fig. la skjematisk et sideriss av en sender i en avstandsmåler ifølge

oppfinnelsen,

fig. lb skjematisk et oppriss av senderen ifølge fig. la,

fig. 2 et oppriss i stråleretningen mot et første avbøyningselement av senderen

ifølge fig. la, b,

fig. 3 viser et oppriss mot stråleretningen av et andre avbøyningselement av

senderen ifølge fig. la, b, og

fig. 4 målbelysningen på grunn av senderen ifølge fig. la, b.

Muligheter for utførelse av oppfinnelsen

Oppfinnelsens optiske avstandsmåler oppviser en sender og en mottaker som for eksempel kan være bygget opp på i og for seg kjent måte med en optikk og avalanche fotodioder samt med en elektrisk styrings- og beregningsenhet, også av i og for kjent type, som styrer utsendingen av lyspulser gjennom senderen og bedømmer utgangssignal fra mottakeren. Avstandsmåling kan skje ved løpetidsmåling eller i henhold til fasesammenligningsmetoden.

Senderen oppviser en kollimator 1 og en foran denne anordnet lyskilde 2 som er satt sammen av en laserdiode 3 og en stråleformingsoptikk 4. Laserdioden 3 er en kantsender som sender ut elektromagnetiske bølger i det infrarøde området, fortrinnsvis med en bølgelengde som ligger mellom 850 nm og 980 nm eller en bølgelengde X = 1550 nm. Emisjonskanten oppviser en lengde på mellom 30 nm og 800 nm, mens bredden ligger mellom 1 pm og 30 pm. I et eksempel kan emisjonskanten være avbrutt i lengderetning. For eksempel kan det i stedet for en laserdiode 3 foreligge en lineær anordning av laserdioder med kantlengder på for eksempel 50 pm og avstander mellom på hverandre følgende kanter på 100 pm. Den numeriske apertur som tilsvarer sinus til den halve åpningsvinkel, ligger parallelt med emisjonskanten ved 0,1, loddrett på denne ved 0,6 til 0,7. Produktet av de to størrelser, kjent som SBP (space bandwidth product = rombånd-breddeprodukt) er på tvers av emisjonskanten omtrent lik bølgelengden og derved praktisk monomodal (transversal modus 0), det vil si at den ligger i nærheten av en prinsipiell, ikke overskridbar grenseverdi, mens den parallelt med emisjonskanten er om en faktor 10 til 100 større enn denne grenseverdi. Også i denne retning er SBP riktig nok ikke mulig å forandre ved konvensjonelle, lysbrytende elementer som linser, men kan ved hjelp av lysbøyning eller -brytningsbaserte elementer meget nær emisjonskanten reduseres ved omleiring parallelt med den samme, og derfor forstørres på tvers derav og lysstrålen kan derved konsentreres sterkere.

Strålingsopptikkene 4 tjener dette formål og omfatter en blokk 5 av et transparent materiale, fortrinnsvis glass, med en første frontflate som er vendt mot laserdioden 3 og en motsatt anordnet andre frontflate som er vendt mot kollimatoren 1. Den første frontflaten bærer en holder 6 av plast som i sin tur holder en sylinderlinse 7 ved dennes endeområder. Sylinderlinsen 7 oppviser et rundt tverrsnitt, diameteren er ca 60 um. Den er utrettet parallelt til emisjonskanten av laserdioden 3 og er i en avstand på rundt 10 pm fra denne. Den parallelliserte lysstrålen som går ut fra emisjonskanten som ved laserdioder av den anvendte typen på tvers oppviser en stor avstrålingsvinkel på ca 80 Diameteren til sylinderlinsen og dennes avstand fra emisjonskanten kan også være vesentlig større enn angitt, dog er ved små verdier og særlig ved høyst 65 um henholdsvis høyst 15 pm, overlappingen til denne fra de på hverandre følgende områder av kantene koherent utstrålte deler, meget liten, noe som også holder tapene som forårsakes av overlappingen, på et lavt nivå.

Etter sylinderlinsen 7 befinner det seg et første avbøyningselement 8 som er i ett stykke med holderen 6, som danner en i det vesentlige jevn og med en første frontflate av blokken 5 parallelt strukturerte overflate. Den går parallelt med emisjonskanten opp i tre på hverandre følgende felt 9a, 9b, 9c som bærer forskjellige trappelignende bøynings-strukturer. Den motsatt beliggende andre frontflate av blokken 5 bærer et andre avbøyningselement 10 av plast som oppviser et i det vesentlige plant og med den andre frontflate parallelt strukturert overflate som er delt i tre på tvers av emisjonskanten på hverandre følgende felt lia, 1 lb, lic som likeledes bærer forskjellige, trappelignende avbøyningsstrukturer.

Det øvre felt 9a av det første ombøyningselement 8 er strukturert slik at det avbøyer den fra et øvre avsnitt av emisjonskanten utsendte lysstråler, av hvilken det blir truffet, mot det i stråleretningen venstre felt 1 la av det andre avbøyningselement 10 der strålen blir avbøyd i liten grad slik at den faller på kollimatoren 1 og fyller omtrent en venstre tredjedel av aperturen. På nøyaktig tilsvarende måte avbøyer det nedre felt 9c i det første avbøyningselement 8 den fra en nedre del av emisjonskanten utgående delstråle, av hvilken den blir truffet, mot det, sett i stråleretningen høyre felt 1 lc av det andre avbøyningselement 10 hvor strålene på nøyaktig tilsvarende måte avbøyes og fyller omtrent den høyre tredjedel av apparaturen av kollimatoren 1. Den midlere tredjedel av denne fylles av delstrålen som går ut fra emisjonskanten fra et noe kortere midtre avsnitt og går ikke avbøyet igjennom de ikke-strukturerte midlere felt 9b og 1 lb av det første avbøyningselement 8 henholdsvis det andre avbøyningselement 10.

De tre delstråler blir altså avbøyet forskjellig av det første avbøyningselement 8 på en slik måte at de, sett på tvers av emisjonskanten, faller ved siden av hverandre mot det andre avbøyningselement 10 mens deres projeksjoner på et plan som her for eksempel er spent fra retningen av emisjonskanten og stråleretningen, i det vesentlige faller sammen. Imidlertid kan det skje en avbøyning også på en slik måte at de tre projeksjoner skjer i et plan som er dreiet i forhold til det fra retningen av emisjonskanten og stråleretningen oppspente plan. Vesentlig er imidlertid at man unngår en krysning av delstrålene. En avbøyning ifølge oppfinnelsen kan ved egnet tildanning av avbøyningselementene 8 integreres funksjonelt i dette eller skje ved ytterligere, eventuelt også på avbøyningselementet anbragte elementer.

Fra det andre avbøyningselement 10 blir delstrålene avbøyet forskjellig på en slik måte at de faller på kollimatoren 1 på en slik måte som om de i hvert tilfelle gikk ut fra en i forhold til emisjonskanten parallell henholdsvis dreiet linje i brennplanet for kolimatoren 1 eller, sagt på annen måte, på en slik måte at deres ekstrapolering tilbake i hvert tilfelle fører til en slik linje og hver delstråle fyller omtrent en tredjedel av aperturen av kollimatoren 1. De tre på hverandre følgende avsnitt av emisjonskanten avbildes på et så å si kvadratisk felt og dette på en slik måte at de overlapper hverandre i et fjernfelt, se fig. 4. Dette sikrer en utmerket målbelysning.

Ved bølgelengder mellom 850 nm og 980 nm kan strålen være meget snevert buntet, noe som tillater en avstandsrasting med høyere lateral oppløsning. Meget fordelaktig er også bølgelengder rundt 1550 nm fordi da, med henblikk på den på grunn av den høye sikkerheten gitte øvre grense av den tillatelige energien pulsenergj med ca 8 mJ eller ligger om en faktor rundt 16000 høyere enn ved bølgelengder mellom 630 nm og 980 nm. En i det minste delvis utnyttelse av denne faktor som ifølge oppfinnelsen er mulig ved bedre konsentrasjon av strålen, tillater en meget vesentlig økning av rekkevidden eller, ved gitt rekkevidde, av ømfintligheten.

Holderen 6 og det med denne i et stykke foreliggende ombøyningselement 8 samt det andre ombøyningselement 10 fremstilles i hvert tilfelle ved en av replikateknikkene slik de for eksempel er beskrevet av M.T. Gale: "Replication" i H.P. Herzig (red): "Micro-Optics", Taylor & Francis 1997, side 153-177 - for eksempel etsing av en valse eller et stempel av kvarts og varmepregjng, sprøytestøping eller støping med derpå følgende UV-herding, og forklebes så med blokken 5. Bestemmelsen av avbøyningsstrukturene kan skje ved hjelp av kjente datamaskinprogrammer. Replikametoden tillater en pris-gunstig fremstilling av høye stykktall. Da også holderen 6 fremstilles ved denne teknikk tillater dette en meget nøyaktig posisjonering av sylinderlinsen 7. Avstands-toleransen for disse med henblikk på det første avbøyningselement 8 utgjør få um. Med loddeteknikk og aktiv justering slik det er beskrevet i DE-A-197 51 352 kan videre laserdioden 3 forbindes på en slik måte med stråletildanningsoptikken 4 at monterings-toleransen mellom disse og sylinderlinsen 7 utgjør rundt 0,5 pm.

Det er mulig med forskjellige modifikasjoner av den beskrevne utførelse. Således kan for eksempel sylinderlinsen være festet direkte til laserdioden med kitt. Det første avbøyningselement og det andre avbøyningselement kan også bestå av glass og være fremstilt for eksempel ved en etsemetode. De kan også være etset direkte inn i blokken som separerer dem. Antallet felt i avbøyningselementene kan også være to, fire eller flere i stedet for tre. Stråleformingsoptikken kan også bestå av lysbrytende elementer, for eksempel prismer eller plater. Til slutt kan det også anvendes laserdioder med bølgelengder fremfor alt mellom 600 nm og 1000 nm og særlig mellom 630 nm og 980 nm og som ligger utenfor de ovenfor angitte områder.

Betegningsliste

Claims (17)

1. Optisk avstandsmåler med minst en lyskilde (2) for målbelysning og en kollimator (1) som kollimerer den fra avstandsmåleren avgitte stråling før målbelysning, hvorved lyskilden er tilordnet kollimatoren (1) og oppviser en laserdiode (3) med en emisjonskant samt en mottaker og en styrings-og beregningsenhet,karakterisert vedat lyskilden (2) har en stråleformings-optikk (4) som er anordnet etter laserdioden (3) og som i det minste tilnærmet opplyser og kollimatoren (1), og som er slik tildannet at den avbøyer de fra på hverandre følgende avsnitt av emisjonskanten av laserdioden (3) utsendte delstråler parallelt på en slik måte at deres projeksjoner på et plan i det minste i utstrakt grad overlapper hverandre, hvorved planet er dreiet i forhold til det gjennom emisjonskanten og stråleretningen oppspente plan.

2. Optisk avstandsmåling ifølge krav 1,karakterisertv e d at stråleformingsoptikken (4) omfatter et første avbøyningselement (8) basert på lysbøyning eller lysbrytning og et andre avbøyningselement (10) basert på lysbøyning eller lysbrytning, hvorved hvert oppviser en i det vesentlige plan overflate med en strukturering hvorved struktureringen er delt i minst to felt (9a, 9b, 9c, 1 la, 1 lb, lic).

3. Optisk avstandsmåling ifølge krav 1 eller 2,karakterisertv e d at laserdioden (3) sender med en bølgelengde mellom 850 nm og 980 nm

4. Optisk avstandsmåler ifølge krav 1 eller 2,karakterisertv e d at laserdioden (3) sender med en bølgelengde på ca 1 '550 nm.

5. Optisk avstandsmåler ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 4,karakterisert vedat stråleformingsoptikken (4) omfatter en umiddelbart etter laserdioden (3) følgende sylinderlinse (7) hvis akse er parallell med emisjonskanten av laserdioden (3).

6. Optisk avstandsmåling ifølge krav 5,karakterisertv e d at diameteren for sylinderlinsen (7) høyst utgjør 65 um.

7. Optisk avstandsmåler ifølge krav 5 eller 6,karakterisertv e d at avstanden mellom emisjonskanten og sylinderlinsen (7) høyst utgjør 15 um.

8. Optisk avstandsmåler ifølge et hvilket som helst av kravene 2 til 7,karakterisert vedat det første avbøyningselement (8) avbøyer delstrålene på tvers av emisjonskanten forskjellig på en slik måte men også parallelt med denne, at de i det vesentlige ved siden av hverandre treffer det andre avbøynings-elementet (10) og at det andre avbøyningselementet (10) retter inn delstrålene som om de i hvert tilfelle går ut fra en linje i brennplanet for kollimatoren (1).

9. Optisk avstandsmåler ifølge krav 8,karakterisert vedat feltene (9a, 9b, 9c) av det første avbøyningselement (8) er orientert parallelt med emisjonskanten og bærer forskjellige bøyningsstrukturer, og antallet felt (1 la, 1 lb, 1 lc) i det andre avbøyningselementet (10) tilsvarer antall felt (9a, 9b, 9c) av det første avbøyningselement (8), hvorved feltene (lia, 1 lb, 1 lc) av det andre avbøyningselement bærer forskjellige bøyningsstrukturer.

10. Optisk avstandsmåler ifølge et hvilket som helst av kravene 8 og 9,karakterisert vedat stråleformingsoptikken (4) oppviser en blokk (5) av transparent materiale med en første frontflate på hvilken det første avbøyningselement (8) er festet og en motsatt anordnet andre frontplate på hvilken det andre avbøynings-element (10) er festet.

11. Optisk avstandsmåler ifølge et hvilket som helst av kravene 8 til 10,karakterisert vedat det første avbøyningselement (8) og det andre avbøyningselement (10) er laget av plast.

12. Optisk avstandsmåler ifølge krav 10 eller 11,karakterisertv e d at sylinderlinsen (7) er forankret i en holder (6) som er festet til den første frontplate av blokken (5).

13. Optisk avstandsmåler ifølge krav 12,karakterisertv e d at det første avbøyningselement (8) er i ett stykke med holderen (6).

14. Optisk avstandsmåler ifølge krav 12 eller 13,karakterisertv e d at laserdioden (3) er festet til blokken (5) ved hjelp av en loddeforbindelse.

15. Optisk avstandsmåler ifølge et hvilket som helst av kravene 5 til 11,karakterisert vedat sylinderlinsene (7) er festet med kitt til laserdioden (3).

16. Optisk avstandsmåler ifølge et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat stråleformingsoptikken (4) er tildannet slik at delstrålene overlapper hverandre i fjernfeltet.

17. Optisk avstandsmåler ifølge et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat stråleformingsoptikken (4) er tildannet slik at delstrålene i fjernfeltet danner et så å si kvadratisk felt.