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Die Erfindung betrifft ein tragbares System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen mit handlichem Entwurf und insbesondere ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen, mit dem ein Abstand im Nahbereich durch Empfangen von zurückreflektiertem Streulicht von einem üblicherweise verwendeten Material wie etwa einer Wand gemessen werden kann.
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In den letzten Jahren sind tragbare Abstandsmeßsysteme hergestellt und vermarktet worden, die mit einer Abstandsmeßfunktion mittels Lichtwellen des prismenlosen Typs, der kein Reflexionsprisma verendet, versehen sind.
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Beispielsweise ist aus
JP 2000 187076-A ein tragbares Abstandsmeßsystem bekannt. In diesem System wird im Gegensatz zu einem Überwachungsinstrument des vollkommen stationären Typs keine Kollimation ausgeführt. Durch Verwendung von sichtbarem Licht zur Abstandsmessung als einen Zeiger wird ein beliebiger Meßpunkt bestimmt und wird der Abstand gemessen. Dieses System umfaßt ein optisches Projektionssystem zum Projizieren von Abstandsmeßlicht und ein optisches Photodetektorsystem zum Empfangen von auftreffendem, reflektiertem Meßlicht, wobei die beiden optischen Systeme parallel angeordnet sind.
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Wenn ein zu messendes Objekt sich mindestens in einem Abstand von mehreren Metern befindet, ist der Abstand zwischen der optischen Achse des optischen Projektionssystems und der optischen Achse des optischen Photodetektorsystems vergleichsweise gering. Daher tritt das reflektierte Meßlicht, das von dem zu messenden Objekt gestreut und reflektiert wird, in das optische Photodetektorsystem in Form von Lichtstrahlenbündeln, die im wesentlichen zueinander parallel verlaufen, ein, um dann empfangen und verarbeitet zu werden. Es sind ferner Abstandsmeßsysteme mit unterschiedlicher Anordnung der optischen Systeme als Abstandsmeßsysteme eines ähnlichen Typs bekannt. In diesem System sind das optische Projektionssystem und das Photodetektorsystem koaxial angeordnet, wobei die optischen Systems teilweise für den gleichen Zweck verwendet werden. Hierbei wird Meßlicht zu einem Reflexionsspiegel geführt, der auf einer optischen Achse angeordnet ist, und durch den Reflexionsspiegel projiziert. Das Abstandsmeßlicht wird von dem zu messenden Objekt reflektiert und tritt durch einen Abschnitt des optischen Systems, in dem der Reflexionsspiegel nicht blockiert, ein, um empfangen zu werden, Wenn durch das Abstandsmeßsystem, in dem die optische Achse eines optischen Projektionssystems zu einer optischen Achse eines optischen Photodetektorsystems parallel angeordnet ist, ein geringer Abstand gemessen werden soll, weicht die Bilderzeugungsposition in Rückwärtsrichtung ab, weil der Meßabstand zu einem zu messenden Objekt gering ist, außerdem weicht die Bilderzeugungsposition von der optischen Achse des Photodetektorsystems ab. Wenn der Meßabstand gering ist, ist das Reflexionslicht stark, so daß die Messung selbst dann ausgeführt werden kann, wenn der Brennpunkt in Rückwärtsrichtung abweicht. Das Licht kann jedoch nicht empfangen werden, wenn die Bilderzeugungsposition von der optischen Achse abweicht, so daß eine Messung nicht ausgeführt werden kann.
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Aus
JP 2000-1 87076-A ist ein System bekannt, daß so angeordnet ist, daß eine Photodetektoreinheit an eine Position bewegt werden kann, an der Licht empfangen werden kann, ferner ist daraus ein System bekannt, das mit einem optischen Hilfselement versehen ist, das das reflektierte Meßlicht, das aus einer Messung in geringem Abstand herrührt, zu der Photodetektoreinheit führt. Wenn die Photodetektoreinheit beweglich entworfen sein soll, ist ein Aufbau mit hoher mechanischer Genauigkeit erforderlich, was zu erhöhten Herstellungskosten des Systems führt. Wenn das optische Hilfselement vorgesehen ist, reicht die empfangene Lichtmenge oftmals nicht aus, ferner ist ein Meßbereich auf einen festen Bereich begrenzt.
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Wenn das optische Projektionssystem koaxial zu dem optischen Photodetektorsystem angeordnet ist, weicht das Reflexionslicht selbst bei einer Messung in geringem Abstand nicht von der optischen Einfallsachse ab. Das Reflexionslicht jenes Teils, der mit der optischen Achse zusammenfällt, wird jedoch durch den Reflexionsspiegel blockiert. Da die Bilderzeugungsposition in Rückwärtsrichtung abweicht, besteht das Problem, daß das Licht bei der Photodetektoreinheit nicht empfangen und daher eine Messung nicht ausgeführt werden kann. Bei einer koaxialen Anordnung können die gleichen Mittel wie im Fall der parallelen Anordnung verwendet werden, der Meßbereich ist jedoch ebenfalls auf einen festen Bereich begrenzt.
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Die
EP 0 248 479 A1 beschreibt eine Anordnung zum optischen Messen eines Abstands zwischen einer Oberfläche und einer Referenzebene. In dieser Anordnung wird eine Strahlungs-abschirmende Platte verwendet, um nur aus einem bestimmten Winkel auf die optische Achse eintreffendes Licht zu erfassen. Anhand des Musters von so auf einem Detektor erfassten Strahlungspunkten lässt sich der gesuchte Abstand ermitteln. In einer Ausführungsform wird bewusst unter Verwendung einer Linse hinter dieser Strahlungs-abschirmenden Platte der Effekt der sphärischen Aberration ausgenutzt, um die Lichtausbeute zu erhöhen.
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Aus der
DE 44 45 464 A1 und der
EP 0 279 347 A2 ist es bekannt, in optischen Abstandsvorrichtungen eine durchlochte Linse einzusetzen. Durch dieses Loch kann insbesondere ein Messstrahl geführt werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen zu schaffen, bei dem die optische Achse von austretendem Licht mit der optischen Achse von zurückkehrendem Licht zusammenfällt, eine ausreichende empfangene Lichtmenge sowohl für die Messung in geringem Abstand als auch für die Messung in großem Abstand erhalten werden kann und der Abstand stabil gemessen werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen nach Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen gemäß der Erfindung umfaßt ein optisches Projektionssystem, das Meßlicht auf ein Objekt projiziert, und ein optisches Photodetektorsystem, das Reflexionslicht empfängt und das eine Lichtempfangslinse, eine Lichtempfangsstirnfläche und ein optisches Mehrfachbrennpunktelement umfasst, das zwischen der Lichtempfangsstirnfläche und der Lichtempfangslinse angeordnet ist. Das optische Mehrfachbrennpunktelement ist ein ringförmig durchlochtes, optisches Mehrfachbrennpunktelement und die Lichtempfangsstirnfläche befindet sich in einem Brennpunkt der Lichtempfangslinse. Bei einer Messung eines großen Abstandes wird das Reflexionslicht von der Lichtempfangslinse zur Konvergenz gebracht, so dass das Reflexionslicht auf der Lichtempfangsstirnfläche empfangen wird. Bei der Messung eines kleinen Abstands wird das Reflexionslicht unter Zusammenwirkung der Lichtempfangslinse und des Mehrfachbrennpunktelements zur Konvergenz gebracht, so dass es auf der Lichtempfangsstirnfläche empfangen wird.
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Gemäß einem weiteren Merkmal schafft die Erfindung ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen wie oben beschrieben, bei dem die Lichtempfangslinse eine durchlochte Linse ist und auf einer optischen Achse des ausgehenden Lichts eine Blende positioniert ist.
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Gemäß einem nochmals weiteren Merkmal schafft die Erfindung ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen wie oben beschrieben, bei dem das durchlochte optische Mehrfachbrennpunktelement eine torische Linse mit wenigstens zwei Brennpunkten ist.
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Gemäß einem nochmals weiteren Merkmal schafft die Erfindung ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen wie oben beschrieben, bei dem das durchlochte optische Mehrfachbrennpunktelement eine asphärische Linse ist.
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Gemäß einem nochmals weiteren Merkmal schafft die Erfindung ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen wie oben beschrieben, bei dem das durchlochte optische Mehrfachbrennpunktelement einen Querschnitt in Form eines konischen Prismas besitzt.
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Gemäß einem nochmals weiteren Merkmal schafft die Erfindung ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen wie oben beschrieben, bei dem das durchlochte optische Mehrfachbrennpunktelement ein konisches Prisma mit wenigstens zwei Typen vertikaler Winkel ist.
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Gemäß einem nochmals weiteren Merkmal schafft die Erfindung ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen wie oben beschrieben, bei dem das konische Prisma einen sich kontinuierlich ändernden vertikalen Winkel besitzt.
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Gemäß einem nochmals weiteren Merkmal schafft die Erfindung ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen wie oben beschrieben, bei dem die optische Achse des ausgehenden Lichts in bezug auf das Zentrum der Lichtempfangslinse exzentrisch ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung des Systems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise des Systems nach 1;
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3 einen teilweise blockartigen Schaltplan einer beispielhaften Schaltungsanordnung einer Vorrichtung zur Abstandsmessung mittels Licht wellen, die in der Erfindung Anwendung findet;
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4 eine Darstellung zur Erläuterung des durchlochten optischen Lichtkonvergenzelements, das in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, wobei 4(A) eine Vorderansicht ist, 4(B) eine Seitenschnittansicht ist und 4(C) eine Draufsicht im Schnitt ist.
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5 eine Darstellung zur Erläuterung eines durchlochten optischen Lichtkonvergenzelements ist, das in einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems verwendet wird, wobei 5(A) eine Vorderansicht ist und 5(a) eine Seitenschnittansicht ist;
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6 eine Darstellung zur Erläuterung eines durchlochten optischen Lichtkonvergenzelements in einer Abwandlung der dritten Ausführungsform ist, wobei 6(A) eine Vorderansicht ist, 6(B) eine Seitenschnittansicht ist und 6(C) eine Draufsicht im Schnitt ist; und
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7 eine schematische Darstellung des Systems gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung ist.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems. In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 einen Objektreflektor, der ein gewöhnlich verwendetes Material wie etwa eine Wand repräsentiert und der ein Objekt für die Messung darstellt, während das Bezugszeichen 2 ein System zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen repräsentiert. Nun wird das System 2 zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen im einzelnen beschrieben.
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In dem System 2 sind auf einer optischen Achse 3 eines ausgehenden Lichtstrahlenbündels eine Lichtquelle 4 zum Aussenden eines sichtbaren Laserstrahlenbündels, eine Kondensorlinse 5 und ein erster Spiegel 6 angeordnet. An einer Position gegenüber dem ersten Spiegel 6 ist ein zweiter Spiegel 7 angeordnet. Das von der Lichtquelle 4 ausgesendete Laserstrahlenbündel wird durch die Kondensorlinse 5 zu einem parallelen Strahlenbündel geformt. Nachdem dieses Laserstrahlenbündel von dem ersten Spiegel 6 und dem zweiten Spiegel 7 reflektiert worden ist, verläuft es durch eine Blende 15 einer Lichtempfangslinse 9 und wird auf den Objektreflektor 1 projiziert. Die Kondensorlinse 5, der erste Spiegel 6, der zweite Spiegel 7 usw. bilden zusammen ein optisches Projektionssystem.
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In dem System sind ferner auf einer optischen Achse 8 für zurückkehrendes Licht eine Lichtempfangslinse 9, eine durchlochte Lichtkonvergenzlinse 11 und eine Lichtempfangsstirnfläche 12 einer Lichtleitfaser 13 angeordnet. Die Lichtempfangsstirnfläche 12 befindet sich in einem Brennpunkt der Lichtempfangslinse 9. Ein Photodetektorelement 14 ist an einer Position angeordnet, die einer Austrittsstirnfläche der Lichtleitfaser 13 zugewandt ist. Die durchlochte Lichtkonvergenzlinse 7 ist zwischen der Lichtempfangslinse 9 und der Lichtempfangsstirnfläche 12 angeordnet. Die Lichtempfangslinse 9, die durchlochte Lichtkonvergenzlinse 11, die Lichtleitfaser 13 usw. bilden zusammen ein optisches Photodetektorsystem.
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Die optische Achse 3 des ausgehenden Lichts, die von dem System 2 zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen zu dem Objektreflektor 1 gerichtet ist, ist auch auf die optische Achse 8 des zurückkehrenden Lichts ausgerichtet, die vom Reflektor 1 zum System 2 zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen gerichtet ist.
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Zunächst wird der Fall beschrieben, in dem sich der Objektreflektor 1 in einem großen Abstand befindet.
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Das von der Lichtquelle 4 ausgesendete Laserstrahlenbündel wird durch den ersten Spiegel 6 und den zweiten Spiegel 7 abgelenkt. Dann verläuft das Laserstrahlenbündel durch die Blende 15, die im Zentrum der Lichtempfangslinse 9 ausgebildet ist, und wird auf den Objektreflektor 1 projiziert. Das Laserstrahlenbündel wird durch den Objektreflektor diffus reflektiert. Reflexionslicht tritt mit Hilfe der Reflexionsoberfläche des Objektreflektors 1, die als sekundäre Lichtquelle dient, aus dem Unendlichen in das System 2 zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen ein. Das Reflexionslicht tritt in die Lichtempfangslinse 9 als gespreizter Lichtstrom aus parallelen Strahlenbündeln ein, wobei das Reflexionslicht durch die Lichtempfangslinse 9 auf der Lichtempfangsstirnfläche 12 zur Konvergenz gebracht wird. Die Blende 15 kann mit einem lichtdurchlässigen Werkstoff ohne Lichtbrechungsleistung gefüllt sein.
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Nachdem nahezu alle Lichtkomponenten des reflektierten Lichts in die Lichtempfangslinse 9 eingetreten sind, bewegen sie sich durch eine Blende 16, die im Zentrum der durchlochten Lichtkonvergenzlinse 11 ausgebildet ist, ohne durch diese blockiert zu werden, woraufhin das Licht auf der Lichtempfangsstirnfläche 12 zur Konvergenz gebracht wird. Eine ausreichende Lichtmenge, die für die Abstandsmessung notwendig ist, wird zu der Lichtleitfaser 13 der Photodetektoreinheit geführt und tritt durch die Lichtleitfaser 13 in das Photodetektorelement 14 ein.
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Nun wird der Fall beschrieben, in dem sich der Objektreflektor 1 in geringem Abstand befindet, wobei auf 2 Bezug genommen wird.
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Wenn sich der Objektreflektor 1 in geringem Abstand befindet (d. h. wenn der Objektreflektor 1 nicht im Unendlichen liegt), weicht eine Lichtkonvergenzposition 12' des Reflexionslichts durch die Lichtempfangslinse 9 von einer Position ab, die sich weiter hinten als die Lichtempfangsstirnfläche 12 befindet. Aus diesem Grund wird von den Reflexionslichtkomponenten der Lichtstrom des Reflexionslichts, der durch die Blende 15 eintritt, durch die Lichtempfangslinse 9 nicht zur Konvergenz gebracht, sondern durch den zweiten Spiegel 7 blockiert. Wenn hingegen der Lichtstrom des Reflexionslichts betrachtet wird, wenn keine durchlochte Lichtkonvergenzlinse 11 vorgesehen wäre, befände sich die Lichtempfangsstirnfläche 12 an einem Punkt, an dem das Licht durch die Blende 15 und den zweiten Spiegel 7 blockiert würde. Daher träte das durch die Lichtempfangslinse 9 zur Konvergenz gebrachte Reflexionslicht nicht in die Lichtempfangsstirnfläche 12 ein.
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Nun wird die Funktionsweise der durchlochten Lichtkonvergenzlinse 11 beschrieben. Unter der Bedingung, daß die durchlochte Lichtkonvergenzlinse 11 eingebaut ist, tritt ein Lichtstrom in einem Umfangsbereich des Reflexionslichts, das durch die Lichtempfangslinse 9 zur Konvergenz gebracht wird, in die durchlochte Lichtkonvergenzlinse 11 ein, wobei der Lichtstrom durch die durchlochte Lichtkonvergenzlinse 11 auf der Lichtempfangsstirnfläche 12 zur Konvergenz gebracht wird. Daher tritt der in 2 schraffiert gezeichnete Abschnitt des Lichtstroms über die Lichtleitfaser 13 in das Photodetektorelement 14 ein. Der Photodetektor 1 befindet sich in geringem Abstand, ferner ist die Lichtintensität des reflektierten Lichtstrahlenbündels hoch. Selbst im Umfangsabschnitt kann eine für die Abstandsmessung ausreichende Lichtmenge erhalten werden. In einem von den in 1 und 2 gezeigten Zuständen verschiedenen Zwischenzustand treten ein Teil des durch die Lichtkonvergenzlinse 9 zur Konvergenz gebrachten Lichtstroms und ein Teil des durch die durchlochte Lichtkonvergenzlinse 11 zur Konvergenz gebrachten Lichtstroms in die Lichtempfangsstirnfläche 12 ein, wobei eine für die Abstandsmessung erforderliche ausreichende Lichtmenge erhalten werden kann. Die Lichtleitfaser 13 braucht nicht verwendet zu werden, wenn das Photodetektorelement 14 so angeordnet ist, daß sich die Photodetektoroberfläche des Photodetektorelements 14 an der Position der Lichtempfangsstirnfläche 12 befindet.
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3 zeigt ein Beispiel einer Schaltung der Vorrichtung zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen, die in der Erfindung verwendet werden kann. Diese Vorrichtung zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen ist als prismenloser Abstandsmeßtyp entworfen. Der prismenlose Abstandsmeßtyp kann in den Impulstyp und in den Typ mit kontinuierlicher Lichtphasendifferenz und dergleichen unterteilt werden. Der letztere wird im allgemeinen für sichtbares Licht verwendet. Im folgenden wird die Beschreibung für den Phasendifferenztyp gegeben.
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Die Vorrichtung zur Abstandsmessung mittels Lichtwellen umfaßt eine analoge Lichtsendeschaltung 40, eine analoge Lichtempfangsschaltung 41 und eine digitale Schaltung 42. Die analoge Lichtsendeschaltung 40 umfaßt einen Referenzoszillator 43, einen ersten Teiler 44, in den Signale vom Referenzoszillator 43 eingegeben werden und von dem Signale an das Lichtsendeelement 39 (das der Lichtquelle 4 in 1 entspricht) ausgegeben werden, einen zweiten Teiler 45, in den Signale vom ersten Teller 44 eingegeben werden, und einen ersten Mischer 46, in den Signale vom ersten Teiler 44 und vom zweiten Teiler 45 eingegeben werden. Die analoge Lichtempfangsschaltung 41 umfaßt einen Vorverstärker 47, in den Signale vom Photodetektorelement 38 (das dem Photodetektorelement 14 in 1 entspricht) eingegeben werden, einen zweiten Mischer 48, in den Signale vom Vorverstärker 47 und vom ersten Mischer 46 eingegeben werden, und einen Signalformer 49, in den Signale vom zweiten Mischer 48 eingegeben werden und von dem Signale zur digitalen Schaltung 42 ausgegeben werden.
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Die digitale Schaltung 42 umfaßt einen digitalen Phasendifferenzmesser 50, in den Signale vom Referenzoszillator 43, vom zweiten Teller 45 und vom Signalformer 49 eingegeben werden, einen Speicher 52, in den Signale vom digitalen Phasendifferenzmesser 50 eingegeben werden, und eine Arithmetikeinheit 54, in die Signale von dem digitalen Phasendifferenzmesser 50 und vom Speicher 52 eingegeben werden und von der Signale an eine Anzeigeeinheit 53 ausgegeben werden. Die digitale Schaltung 42 umfaßt ferner eine Steuerschaltung 51. In der obigen Systemkonfiguration ist es wünschenswert, daß die analoge Lichtempfangsschaltung 41 und die analoge Lichtsendeschaltung 40 unabhängig voneinander abgeschirmt sind. Falls eine höhere Genauigkeit erforderlich ist, ist es wünschenswert, daß sämtliche in 3 gezeigten Blöcke abgeschirmt sind. In den obenerwähnten elektrischen Schaltungen wird vom Referenzoszillator 43 eine Referenzfrequenz (f0 = 30 MHz) durch den ersten Teller 44 auf 1/20 geteilt, wodurch ein Signal f1 = 1,5 MHz erzeugt wird. Dieses Signal wird an das Lichtsendeelement 39 geschickt, welches mit 1,5 MHz moduliertes Infrarotlicht aussendet. Das modulierte Licht vom Lichtsendeelement 39 wird über eine Objektivlinse 34 und dergleichen an den Objektreflektor 1 geschickt, der als ein Zielpunkt ausgebildet ist. Dann wird das modulierte Licht vom Objektreflektor 1 reflektiert, um über die Objektivlinse 34 und dergleichen das Photodetektorelement 38 zu erreichen. Das in das Photodetektorelement 38 eintretende Lichtstrahlenbündel enthält eine Lichtkomponente mit 1,5 MHz und eine Phasendifferenzkomponente, die dem zu messenden Abstand entspricht.
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Andererseits wird das Signal mit der Frequenz f1 vom ersten Teiler 44 auch an den zweiten Teiler 45 geliefert. Es wird dann auf 1/500 geteilt, so daß ein Signal f2 = 3 kHz erzeugt wird. Dieses Signal wird an den ersten Mischer 46 geliefert, der ein Signal mit der Frequenz f3 = f1 – f2 = 1497 kHz erzeugt, das die Differenz zwischen dem Signal mit der Frequenz f1, das vom ersten Teiler 44 geliefert wird, und dem Signal mit der Frequenz f2, das von dem zweiten Teller 45 geliefert wird, darstellt. Das Signal mit der Frequenz f3 wird an den zweiten Mischer 48 der analogen Lichtempfangsschaltung 41 geliefert. Der zweite Mischer 48 erzeugt aus der Differenz zwischen den Signalen mit der Frequenz f1 bzw. f3, die vom Vorverstärker 47 bzw. vom ersten Mischer 46 geliefert werden, ein Schwebungssignal.
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Das Signal von dem Photodetektorelement 38 besitzt die Phasendifferenzkomponente, die dem zu messenden Abstand entspricht Daher enthält das Ausgangssignal des zweiten Mischers 48 eine Phasendifferenz, die dem Signal mit der Frequenz f2 = 3 kHz und dem Abstand entspricht. Nachdem der Signalformer 49 die Signalform dieses Signals geschaffen hat, wird das Signal an den digitalen Phasendifferenzmesser 50 der digitalen Schaltung 42 geliefert. Das Signal mit Frequenz f2 vom zweiten Teiler 45 wird zu dem digitalen Phasendifferenzmesser 50 als ein Referenzsignal gesendet. Die Phasendifferenz, die dem zu messenden Abstand entspricht, wird erfaßt. Die erfaßte Phasendifferenz wird durch ein Signal mit Frequenz f0 vom Referenzoszillator 43 digital gemessen, wobei dieser Wert an die Arithmetikeinheit 54 als Abstandsmeßdaten geliefert wird. Auf der Grundlage dieser Abstandsmeßdaten führt die Arithmetikeinheit 54 die erforderliche Berechnung aus, indem sie den Abstand zum Objektreflektor 1 auf der Grundlage der Abstandsmeßdaten und ferner den Abstand zwischen zwei Punkten und eine Fläche eines angegebenen Bereichs anhand der Abstandsmeßdaten an zwei Punkten berechnet. In 3 bezeichnet das Bezugszeichen 30 ein Lichtstrahlenbündel auf einem abgehenden Weg, während das Bezugszeichen 56 zirkuläres Referenzlicht bezeichnet.
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4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. In dieser zweiten Ausführungsform wird statt der durchlochten Lichtkonvergenzlinse 11 eine ringförmige torische Linse 17 verwendet. Die torische Linse 17 besitzt veränderliche Krümmungen, wobei die Krümmung auf einer Auftrefffläche des Querschnitts senkrecht zu einer X-Achse von einer Krümmung einer Auftrefffläche des Querschnitts senkrecht zu einer Y-Achse verschieden ist.
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Durch die Verwendung der torischen Linse 17 kann das Reflexionslicht auf der Lichtempfangsstirnfläche 12 zur Konvergenz gebracht werden, wenn sich der Objektreflektor 1 in geringem Abstand befindet. Da die Lichtkonvergenzpositionen des Reflexionslichts in Richtung der X-Achse und in Richtung der Y-Achse verschieden sind, kann das Reflexionslicht auf der Lichtempfangsstirnfläche 12 innerhalb eines großen Bereichs effektiv zur Konvergenz gebracht werden, wenn sich der Objektreflektor 1 in einem geringen Abstand befindet. In einer Abwandlung kann für die torische Linse 17, die unterschiedliche Brennweiten in X-Achsenrichtung und in Y-Achsenrichtung besitzt, eine Linse verwendet werden, die eine Brennweite besitzt, die sich von der X-Achse zur Y-Achse kontinuierlich ändert, oder die eine Brennweite besitzt, die sich über 360° kontinuierlich ändert
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5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. In dieser dritten Ausführungsform wird als optisches Lichtkonvergenzelement ein konisches Prisma 18 in Form eines Torus verwendet, das angenähert die gleiche Funktion wie die durchlochte Lichtkonvergenzlinse 11 besitzt. Wenn das konische Prisma 18 verwendet wird, kann das Reflexionslicht in der gleichen Wiese wie oben zur Konvergenz gebracht werden. Das konische Prisma 18 besitzt einen keilförmigen Querschnitt und hat die Form eines Torus, der kontinuierlich in einer Kreisform angeordnet ist.
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6 zeigt eine Abwandlung der dritten Ausführungsform, in der ein durchlochtes optisches Lichtkonvergenzelement 19 vorgesehen ist, das zwei Typen von Keilprismen 19a und 19b mit unterschiedlichen vertikalen Winkeln enthält. In diesem optischen Lichtkonvergenzelement 19 ist der Gesamtumfang in vier gleiche Abschnitte unterteilt, wobei gegenüberliegende Paare als Keilprismen 19a, 19a bzw. 19b, 19b entworfen sind. In dieser Abwandlung der dritten Ausführungsform besitzen das Keilprisma 19a und das Keilprisma 19b unterschiedliche – Lichtkonvergenzpositionen. Im Ergebnis erweitert die Verwendung des durchlochten optischen Lichtkonvergenzelements 19 den Bereich der Abstände zum Objektreflektor 1, indem das Reflexionslicht in die Lichtempfangsstirnfläche 12 eintreten kann. Das durchlochte Lichtkonvergenzelement 19 wie oben beschrieben ist kreisförmig, während die Keilprismen mit Trapezform miteinander kombiniert werden können, um eine Polygonform zu ergeben. Alternativ kann der Entwurf derart sein, daß sich der vertikale Winkel längs des Umfangs des durchlochten optischen Lichtkonvergenzelements 19 kontinuierlich ändert.
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7 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung. Diese vierte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform nur dadurch, daß an einer Position außerhalb des Zentrums der Lichtempfangslinse 9 eine Blende 15 ausgebildet ist, so daß das Laserstrahlenbündel von der Lichtquelle 4 durch die exzentrische Blende 15 projiziert wird und die optische Achse des ausgehenden Lichts von der optischen Achse 8 des zurückkehrenden Lichts getrennt ist.
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7 zeigt den Fall, in dem sich der Objektreflektor 1 in einem geringen Abstand befindet. Wenn sich der Objektreflektor 1 in geringem Abstand befindet, ist die Lichtkonvergenzposition 12' des Reflexionslichts durch die Lichtempfangslinse 9 an eine Position hinter der Lichtempfangsstirnfläche 12 wie in 2 gezeigt verschoben. Da sich die Blende 15 an einer Position befindet, die bezüglich der optischen Achse 8 des zurückkehrenden Lichts exzentrisch ist, ist ein wegen des Vorhandenseins der Blende 15 ausgeblendeter Teil des Reflexionslichts ebenfalls exzentrisch positioniert. Daher tritt der Lichtstrom des Reflexionslichts, der sich durch den Mittelabschnitt der Lichtempfangslinse 9 bewegt, in die Lichtempfangsstirnfläche 12 ein. Der Lichtstrom am Umfangsabschnitt des Reflexionslichts, der in die durchlochte Lichtkonvergenzlinse 11 eintritt, tritt ebenfalls in die Lichtempfangsstirnfläche 12 ein. In der vierten Ausführungsform ist die Menge des empfangenen Lichts stärker als in der ersten Ausführungsform erhöht, da der Lichtstrom im Mittelabschnitt des Reflexionslichts ebenfalls empfangen wird.
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Der Lichtstrom, der sich durch den Mittelabschnitt der Lichtempfangslinse 9 bewegt, tritt stets in die Lichtempfangsstirnfläche 12 ein, so daß die Menge des empfangenen Lichts sowohl für einen großen Abstand als auch für einen geringen Abstand erhöht ist.
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Der Abstand zwischen der optischen Achse 3 des ausgehenden Lichts und der optischen Achse 8 des zurückkehrenden Lichts ist sehr gering, so daß die Symmetrie bezüglich des Objektreflektors 1 nicht wesentlich beeinflußt wird.
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Jedes der in den 4 bis 6 gezeigten durchlochten Lichtkonvergenzelemente 17, 18 bzw. 19, das als durchlochte Lichtkonvergenzlinse 11 verwendet wird, kann mit einer exzentrischen Blende 16 versehen sein.
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Das erfindungsgemäße System umfaßt ein optisches Projektionssystem, das eine optische Achse des ausgehenden Lichts besitzt und Meßlicht projiziert, und ein optisches Photodetektorsystem, das eine optische Achse des zurückkehrenden Lichts besitzt und Reflexionslicht empfängt, wobei das optische Photodetektorsystem eine Lichtempfangslinse, die das Reflexionslicht empfingt und zur Konvergenz bringt, eine Lichtempfangsstirnfläche, in die das Reflexionslicht eintritt, und ein ringförmiges durchlochtes optisches Mehrfachbrennpunktelement, das zwischen der Lichtempfangsfläche und der Lichtempfangslinse angeordnet ist und das Licht auf der Lichtempfangsstirnfläche zur Konvergenz bringt, umfaßt. Wenn sich daher der Objektreflektor in einem großen Abstand befindet, wird das Reflexionslicht durch die Lichtempfangslinse zur Konvergenz gebracht. Dann tritt das Licht in die Lichtempfangsstirnfläche ein, nachdem es durch eine Blende in dem durchlochten optischen Lichtkonvergenzelement gegangen ist. Wenn sich der Objektreflektor in geringem Abstand befindet, wird das Reflexionslicht durch das durchlochte optische Lichtkonvergenzelement zur Konvergenz gebracht, woraufhin es in die Lichtempfangsstirnfläche eintritt. Somit kann sowohl in dem Fall, in dem sich der Objektreflektor in einem großen Abstand befindet, als auch in dem Fall, in dem sich der Objektreflektor in einem geringen Abstand befindet, eine ausreichende Lichtmenge empfangen werden, die für eine Messung des Abstandes zum Objektreflektor erforderlich ist.
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In dem erfindungsgemäßen System kann das durchlochte optische Mehrfachbrennpunktelement eine torische Linse mit wenigstens zwei Brennpunkten sein. Alternativ kann das durchlochte optische Mehrfachbrennpunktelement ein konisches Prisma mit wenigstens zwei Arten vertikaler Winkel sein. Selbst wenn daher die Position des Objektreflektors, der sich in einem geringen Abstand befindet, geändert wird, tritt das Reflexionslicht effektiv in die Lichtempfangsfläche ein.
