DE19704340A1 - Entfernungsmesser - Google Patents
EntfernungsmesserInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Entfernungsmesser, insbesondere
einen einstrahligen Pulslaser-Entfernungsmesser mit einem
Lichtsender, einem Lichtempfänger, einem im Sende- oder
Empfangszweig gelegenen optischen Abschwächer und einer
Zeitmeßeinheit zur Ermittlung der Lichtlaufzeit zwischen
Aussendung und Empfang eines Lichtsignals.
Bekannte Entfernungsmesser der angegebenen Art sind oftmals
nur mit großem wirtschaftlichen Aufwand herstellbar. Insbe
sondere arbeiten die bekannten Entfernungsmesser nicht immer
mit der in vielen Anwendungsfällen wünschenswerten Genauig
keit.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Entfernungs
messer der eingangs angegebenen Art derart weiterzubilden,
daß die Herstellungskosten gesenkt werden können und daß
insbesondere auch dessen Meßgenauigkeit und dessen exakte
Reproduzierbarkeit bei der Herstellung erhöht werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
Lichtsender als einheitlicher und kompakter Baustein ausge
bildet ist, in welchen eine Laserdiode, Anschlußelemente für
die Laserdiode, eine Vorrichtung zur Referenzimpulsauskopp
lung sowie ein Fasersteckanschluß zur Einkopplung des ausge
sandten Lichts in eine Glasfaser integriert sind, und daß
der Lichtempfänger ebenfalls als einheitlicher und kompakter
Baustein ausgebildet ist, in welchen eine Photodiode,
Anschlußelemente für die Photodiode, eine Vorrichtung zur
Referenzimpulseinkopplung sowie ein Fasersteckanschluß zur
über eine Glasfaser erfolgenden Einkopplung von Empfangs
licht integriert sind.
Der erfindungsgemäße Entfernungsmesser zeichnet sich also
dadurch aus, daß alle für die Erzeugung des Sendelichts, die
Auskopplung eines Referenzimpulses sowie die Einkopplung des
Sendelichts in eine Glasfaser benötigten Komponenten zu
einem einzelnen, kompakten Baustein zusammengefaßt sind.
Ebenso sind die Komponenten für die Einkopplung von Empfangs
licht, die Einkopplung des Referenzimpulses sowie die Umwand
lung der eingekoppelten Lichtsignale in elektrische Signale
zu einem einheitlichen und kompakten Empfangsbaustein zusam
mengefaßt.
Der Einsatz dieser beiden Bausteine führt auf vorteilhafte
Weise zu einer einfachen Handhabbarkeit und damit auch zu
einer schnelleren Montage, wobei sich gleichzeitig die Bau
größe des Entfernungsmessers verringern läßt. Zudem werden
bei der Montage des Entfernungsmessers aufwendige Justage
arbeiten eingespart, da die optischen Komponenten von Sende-
und Empfangsbaustein bereits innerhalb dieser Bausteine fest
zueinander justiert sind, so daß bei der Montage des Entfer
nungsmessers diesbezüglich keine weiteren Arbeiten mehr
nötig sind.
Da erfindungsgemäß sowohl der Lichtsender als auch der Licht
empfänger jeweils mit einem Fasersteckanschluß ausgestattet
sind, läßt sich die Optik des Entfernungsmessers ohne
Schwierigkeiten von dessen Elektronik trennen. Die
Verbindung zwischen Optik und Elektronik kann auf einfache
Weise mittels Lichtleitfasern hergestellt werden, die mit
den genannten Fasersteckanschlüssen koppelbar sind. Diese
Separierung von optischen und elektronischen Komponenten ist
insbesondere dann von Vorteil, wenn der erfindungsgemäße
Entfernungsmesser beispielsweise in explosionsgefährdeten
Bereichen eingesetzt wird, in denen das Vorhandensein von
elektronischen Bauteilen problematisch ist. In solchen
Anwendungsfällen kann die Optik in explosionsgefährdeten
Bereichen und die Elektronik außerhalb dieser Bereiche
angeordnet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es
auch möglich, den Sende- und den Empfangsbaustein zu einem
einzigen Baustein zusammenzufassen. In diesem Fall ist es
auf vorteilhafte Weise nicht mehr nötig, die beiden Baustei
ne so zueinander justieren, daß der aus dem Sendebaustein
ausgekoppelte Referenzimpuls korrekt in den Empfangsbaustein
eingekoppelt wird, da bei Zusammenfassung beider Bausteine
zu einem einzelnen Baustein die einzelnen Komponenten be
reits so angeordnet werden können, daß eine korrekte Refe
renzimpulseinkopplung sichergestellt ist.
Eine besonders vorteilhafte, geringe Baugröße des erfin
dungsgemäßen Entfernungsmessers läßt sich dann erreichen,
wenn der Sende- und/oder der Empfangsbaustein ein Volumen
kleiner 1 cm3, bevorzugt kleiner 0,5 cm3 und insbesondere
ein Volumen von ungefähr 0,2 cm3 besitzt.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn in den Sende-/Empfangs
baustein vor und/oder hinter der Vorrichtung zur Referenz
impulsauskopplung/Referenzimpulseinkopplung zumindest eine
Linse, insbesondere eine Kollimatorlinse integriert ist.
Bevorzugt ist sowohl im Sende- als auch im Empfangsbaustein
sowohl vor als auch hinter der Vorrichtung zur Referenz
impulsauskopplung/Referenzimpulseinkopplung genau eine Kolli
matorlinse angeordnet.
Der erfindungsgemäße Sende-/Empfangsbaustein kann ein Gehäu
se, insbesondere ein Edelstahlgehäuse aufweisen, in welchem
die einzelnen Komponenten des jeweiligen Bausteins gehalten
sind. Dieses Gehäuse wird vorzugsweise mit einem Durchbruch
zur Referenzimpulsauskopplung/Referenzimpulseinkopplung aus
gestattet, so daß ein Referenzimpuls beispielsweise direkt
vom Sendebaustein in den Empfangsbaustein eingekoppelt wer
den kann. Für die Referenzimpulsübertragung wird folglich
keine Lichtleitfaser benötigt, wobei es grundsätzlich natür
lich auch möglich ist, den Referenzimpuls über eine solche
Lichtleitfaser oder auch über Umlenkspiegel zu übertragen.
Die Vorrichtung zur Aus-/Einkopplung des Referenzimpulses
wird auf vorteilhafte Weise durch einen im jeweiligen Bau
stein integrierten Strahlteilerspiegel realisiert. Bevorzugt
ist es, wenn dieser Strahlteilerspiegel jeweils eine hohe
Transmission aufweist, insbesondere kann die Transmission
des Strahlteilerspiegels mehr als 90%, insbesondere mehr als
95% und bevorzugt zwischen 97% und 99% betragen. Eine derart
hohe Transmission bedingt auf vorteilhafte Weise einen
minimalen Energieverlust beim Aussenden und beim Empfang des
zur Entfernungsmessung dienenden Lichtimpulses.
Die Laserdiode des Sendebausteins kann zur Erzeugung von
Laserimpulsen mit einer Dauer zwischen 1 und 50 ns, bevor
zugt mit einer Dauer von ungefähr 3 ns bei einer Leistung
zwischen 1 und 50 W, bevorzugt bei einer Leistung von unge
fähr 10 W ausgelegt sein.
Die Photodiode des Empfangsbausteins wird vorzugsweise als
Avalanche-Photodiode ausgebildet, welche eine Bandbreite zwi
schen 20 und 500 MHz, bevorzugt eine Bandbreite von ungefähr
200 MHz aufweist.
Der erfindungsgemäße Entfernungsmesser ist insbesondere dann
zu einer besonders genauen Bestimmung der zu messenden Ent
fernung in der Lage, wenn die verwendete Zeitmeßeinheit zur
Ermittlung von Zeiten im ps-Bereich ausgelegt ist. Bevorzugt
ist es dabei, wenn die Zeitmeßeinheit entsprechend der am
31.1.1997 unter dem Titel "Verfahren zur Bestimmung eines
Zeitintervalls zwischen zwei Ereignissen" (Unser Aktenz.:
S 6320) eingereichten deutschen Patentanmeldung der Anmel
derin ausgebildet ist. Der Offenbarungsgehalt der letzt
genannten Patentanmeldung wird hiermit ausdrücklich im
Inhalt der vorliegenden Patentanmeldung erklärt.
Eine besonders kostengünstige Version des erfindungsgemäßen
Entfernungsmessers läßt sich erreichen, wenn zur Ermittlung
der nachfolgend noch beschriebenen Zeitintervalle im Rahmen
der Zeitmeßeinheit lediglich zwei separate Zeitmesser einge
setzt werden.
Von Vorteil ist es, wenn der optische Abschwächer im
Empfangszweig des Entfernungsmessers zwischen einer Empfangs
optik und dem Empfangsbaustein angeordnet wird. In diesem
Fall ist sichergestellt, daß der Entfernungsmesser immer mit
voller Sendeleistung arbeiten kann, da im Sendezweig keine
Abschwächung erfolgt.
Der optische Abschwächer kann als motorbetriebene Blende,
insbesondere als motorbetriebene Kurvenscheibe oder Iris
blende ausgebildet werden. Ebenso ist es jedoch möglich, den
optischen Abschwächer als mikromechanische Baugruppe aus zu
führen, wobei hier eine Vielzahl von konkreten Ausführungs
formen realisierbar sind.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer solchen
mikromechanischen Baugruppe liegt dann vor, wenn der opti
sche Abschwächer einen mechanischen, insbesondere einen
piezomechanischen Steller zur Verschiebung einer zwischen
zwei einander gegenüberliegenden Glasfaser-Enden positionier
baren Blende umfaßt.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der genannten mikro
mechanischen Baugruppe besteht in einem optischen Abschwä
cher, der einen mechanischen, insbesondere einen piezomecha
nischen Steller zur relativ zueinander erfolgenden Verschie
bung von zwei einander gegenüberliegenden Glasfaser-Enden
umfaßt.
Ein besonders fehlerfreier Betrieb eines erfindungsgemäßen
Entfernungsmessers ist beispielsweise dann möglich, wenn der
optische Abschwächer so eingestellt wird, daß Referenz- und
Empfangssignal die gleiche Amplitude und/oder die gleiche
Impulsbreite aufweisen.
Dabei können die Impulsbreiten von Referenz- und Empfangs
signal mittels der Zeitmeßeinheit bestimmt werden, wobei der
optische Abschwächer so lange verstellt wird, bis beide
Impulsbreiten gleich groß sind.
Für die Regelung der Impulsbreiten bzw. Amplituden von
Referenz- und Empfangssignal bieten sich prinzipiell zwei
unterschiedliche Verfahren an:
Zum einen ist es möglich, im Rahmen jeder Sendeimpulsaussen
dung den zeitlichen Abstand von Referenz- und Empfangsimpuls
sowie auch die Impulsbreiten von Referenz- und Empfangs
impuls zu bestimmen, wobei im Falle ungleicher Impulsbreiten
der optische Abschwächer so lange verstellt wird, bis auf
folgenden Sendeimpulsaussendungen gleiche Impulsbreiten fest
gestellt werden.
Andererseits ist es jedoch auch möglich, die Impulsbreiten
von Referenz- und Empfangsimpuls nur bei jeder n-ten Sende
impulsaussendung zu bestimmen, woraufhin dann bei ungleichen
Impulsbreiten der optische Abschwächer zur Erzeugung glei
cher Impulsbreiten verstellt wird. In diesem Fall kann n
beispielsweise < 100, insbesondere ungefähr gleich 1000 sein.
Wenn die Referenz- und Empfangsimpulsbreiten nur bei jeder
n-ten Sendeimpulsaussendung bestimmt werden, ist es von Vor
teil, daß die Ermittlung des zeitlichen Abstandes von
Referenz- und Empfangsimpuls und die Ermittlung der genann
ten Impulsbreiten unter Verwendung von nur zwei Zeitmessern
erfolgen kann, was sich positiv auf die wirtschaftliche Her
stellbarkeit des erfindungsgemäßen Entfernungsmessers aus
wirkt.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie
len unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben; in
diesen zeigen:
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Entfer
nungsmessers,
Fig. 2 die vergrößerte Darstellung eines Sendebausteins,
Fig. 3 einen möglichen zeitlichen Verlauf von Referenz
impuls und Empfangsimpuls,
Fig. 4 eine erste mögliche Ausführungsform eines als mikro
mechanische Baugruppe ausgebildeten optischen
Abschwächers, und
Fig. 5 eine zweite mögliche Ausführungsform eines als mikro
mechanische Baugruppe ausgebildeten optischen
Abschwächers.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Ent
fernungsmessers mit einem Sendebaustein 1 und einem Empfangs
baustein 2. Der nähere Aufbau des Sendebausteins 1 wird in
Verbindung mit Fig. 2 näher erläutert.
Der Sendebaustein 1 wird von einer Steuerschaltung 3 beauf
schlagt, welche insbesondere impulsförmige elektrische Signa
le zur Verfügung stellt, die im Sendebaustein 1 die Erzeu
gung von Sendelichtimpulsen bewirken.
Die im Sendebaustein 1 erzeugten Lichtimpulse gelangen über
eine Glasfaser 4 zu einer Einheit 5, in welcher eine Verzöge
rung des Lichtsignals sowie eine Modenmischung erzeugt wird.
Das Ausgangssignal der Einheit 5 gelangt zu einer Sendelinse
6, von der aus ein Sendelichtimpuls 7 in Richtung eines in
Fig. 1 nicht dargestellten reflektierenden Objekts gesandt
wird.
Dieses Objekt reflektiert den Sendeimpuls 7 als Empfangs
impuls 8 zurück zum Entfernungsmesser, wo der Empfangsimpuls
8 über eine Empfangslinse 9 in eine Lichtleitfaser 10 einge
koppelt wird.
Die Lichtleitfaser 10 ist im Bereich eines optischen
Abschwächers 11 unterbrochen. Mittels des Abschwächers 11
kann eingestellt werden, wieviel Licht vom Bereich 10a der
Lichtleitfaser in den Bereich 10b der Lichtleitfaser ge
langt.
Über den Bereich 10b der Lichtleitfaser gelangt das empfange
ne Licht zum Empfangsbaustein 2, welcher aus dem empfangenen
Licht ein entsprechendes elektrisches Signal erzeugt und die
ses an einen Transimpedanzverstärker 12 weiterleitet.
Das Ausgangssignal des Transimpedanzverstärkers 12 ist an
eine Zeitmeß- und Auswerteeinheit 13 angelegt, welche in der
Lage ist, den zeitlichen Abstand von Impulsen zu berechnen,
die der Einheit 13 zugeführt werden. Aus diesen zeitlichen
Abständen kann die Zeitmeß- und Auswerteeinheit 13 dann auf
die Entfernung zwischen dem Entfernungsmesser und dem
reflektierenden Objekt schließen.
Aus dem Sendebaustein 1 wird ein Referenzlichtstrahl 14 aus
gekoppelt, welcher direkt, ohne Umlenkung und ohne die Ver
wendung von Lichtleitfasern in den Empfangsbaustein 2 einge
koppelt wird.
Die Zeitmeß- und Auswerteeinheit 13 beaufschlagt einen Motor
15, welcher zur Ansteuerung des optischen Abschwächers 11
ausgelegt ist.
Eine Ansteuerung des optischen Abschwächers 11 mittels des
Motors 15 wird immer dann ausgelöst, wenn die Breite des von
der Einheit 13 empfangenen Referenzimpulses 14 nicht mit der
Breite des über die Lichtleitfaser 10a, 10b empfangenen
Empfangsimpulses übereinstimmt. Der Motor 15 wird dabei von
der Einheit 13 so lange beaufschlagt, bis die beiden genann
ten Breiten übereinstimmen.
Fig. 2 zeigt im Detail den Aufbau des Sendebausteins 1.
In einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse 16 aus Edel
stahl ist an einem stirnseitigen Ende eine Laserdiode 17
eingebettet. Die Laserdiode 17 weist auf ihrer dem Gehäuse
16 abgewandten Seite zwei elektrische Anschlußkontakte 18
auf.
Im Gehäuse 16 ist im Bereich der optischen Achse der Laser
diode 17 ein Strahlteilerspiegel 19 in einem Winkel von unge
fähr 45° zur optischen Achse angeordnet. Der Strahlteiler
spiegel 19 besitzt - wie bereits beschrieben - einen sehr
hohen Transmissionsgrad, so daß entlang der optischen Achse
der Laserdiode 17 verlaufendes Licht weitgehend ungehindert
durch den Strahlteilerspiegel 19 hindurchtreten kann.
Auf der der Laserdiode 17 abgewandten Seite des Strahlteiler
spiegels 19 ist eine Aufnahme 20 für einen Fasersteckan
schluß 21 vorgesehen, welcher das von der Laserdiode 17
erzeugte Licht in eine Lichtleitfaser 4 einkoppelt.
Zwischen Strahlteilerspiegel 19 und Fasersteckanschluß 21
sowie zwischen Strahlteilerspiegel 19 und Photodiode 17 ist
jeweils eine Kollimatorlinse 22 vorgesehen.
Im Bereich des Strahlteilerspiegels 19 ist das Gehäuse 16
mit einem Durchbruch 23 versehen, über den ein geringer Teil
des von der Laserdiode 17 ausgesandten Lichts als Referenz
impuls ausgekoppelt wird. Der Durchbruch 23 erstreckt sich
dabei senkrecht zur optischen Achse der Laserdiode 17.
Laserdiode 17, Strahlteilerspiegel 19 und Kollimatorlinsen
22 sind fest mit dem Gehäuse 16 verbunden, während der
Fasersteckanschluß 21 lösbar mit dem Gehäuse 16 verbunden
ist.
Der Empfangsbaustein 2 ist ähnlich aufgebaut wie der in
Fig. 2 dargestellte Sendebaustein 1. Ein Unterschied besteht
lediglich darin, daß anstelle der Laserdiode 17 eine ent
sprechend gestaltete Photodiode eingesetzt ist, der Strahl
teilerspiegel 19 um 90° versetzt zu der in Fig. 2 dargestell
ten Position angeordnet ist (siehe Fig. 1) und der Durch
bruch 23 nicht wie in Fig. 2 dargestellt unterhalb des
Strahlteilerspiegels 19, sondern oberhalb des Strahlteiler
spiegels 19 vorgesehen ist, wie dies auch aus Fig. 1 zu
ersehen ist.
Fig. 3 zeigt schematisch diejenigen Impulse, die von der
Zeitmeß- und Auswerteeinheit 13 gemäß Fig. 1 empfangen wer
den.
Zuerst wird der Referenzimpuls 14 (Fig. 1) empfangen, wel
cher zum Zeitpunkt T1 eine vorgegebene Detektionsschwelle
überschreitet und zum Zeitpunkt T2 diese Detektionsschwelle
wiederum unterschreitet.
Zeitlich versetzt um die Lichtlaufzeit, die der ausgesendete
Laserimpuls 7 (Fig. 1) vom Entfernungsmesser zum reflektie
renden Objekt und wieder zurück benötigt, empfängt die Ein
heit 13 dann den Empfangsimpuls 8 (Fig. 1), welcher zum Zeit
punkt T3 die genannte Detektionsschwelle überschreitet und
zum Zeitpunkt T4 diese Detektionsschwelle wiederum unter
schreitet.
Die Lichtlaufzeit entspricht somit der Zeitdifferenz T3-T1.
Falls der Empfangsimpuls 8 eine zu hohe Amplitude bzw. eine
zu große Breite aufweist, wie dies in Fig. 3 durch den
Impuls 24 veranschaulicht ist, wird über die Zeitmeß- und
Auswerteeinheit 13 der Motor 15 in Gang gesetzt und der
optische Abschwächer 11 derart eingestellt, daß der Empfangs
impuls 24 so stark gedämpft wird, daß er die gleiche Ampli
tude bzw. die gleiche Breite wie der Referenzimpuls 14 auf
weist.
Diese Regelung der Amplitude des Empfangsimpulses wird bevor
zugt dadurch bewerkstelligt, daß nicht die Amplituden der
empfangenen Impulse, sondern deren Breiten gemessen werden.
Die Breite des Referenzimpulses entspricht dabei der
Differenz T2-T1, während die Breite des Empfangsimpulses der
Differenz T4-T3 entspricht. Der optische Abschwächer muß
folglich lediglich derart eingestellt werden, daß die beiden
Differenzen T2-T1 und T3-T4 gleich groß sind.
Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei Ausführungsformen von als mikro
mechanische Baugruppe ausgebildeten optischen Abschwächern.
Fig. 4 zeigt einen piezomechanischen Steller 25, welcher an
seinem einen Ende fest gelagert und durch Beaufschlagung mit
einer Spannung in Richtung des Pfeiles A verbiegbar ist.
Am freien Ende des piezomechanischen Stellers 25 ist eine
nach unten ragende Blende 26 vorgesehen, welche sich zwi
schen zwei einander gegenüberliegenden Linsen 27a, 27b er
streckt. Die Linsen 27a, 27b sind jeweils benachbart und
beabstandet zu den Enden von zwei Glasfasern 32a, 32b ange
ordnet und vergrößern den optisch wirksamen Bereich der ein
ander zugewandten stirnseitigen Enden der beiden Glasfasern
32a, 32b. Die beiden Linsen 27a, 27b sowie die beiden Glas
fasern 32a, 32b sind fest und unbeweglich gelagert.
Durch eine Verbiegung des piezomechanischen Stellers 25 kann
die Blende 26 aus dem zwischen den beiden Linsen 27a, 27b
liegenden Bereich herausgezogen oder weiter in diesen hinein
bewegt werden. Auf diese Weise läßt sich wahlweise eine Ab
schwächung des Lichtes, welches von einer Faser 32a zur
anderen Faser 32b übertragen wird, erreichen.
Anstelle der Blende 26 könnte auch ein horizontal ausgerich
teter Glasfaserabschnitt verwendet werden, welcher zwischen
beiden Linsen 27a, 27b oder zwischen den beiden Enden der
Glasfasern 32a, 32b mittels des Stellers 25 in vertikaler
Richtung auf- und abbewegbar ist.
Eine alternative Ausführungsform eines optischen Abschwä
chers ist in Fig. 5 dargestellt.
Auch hier ist ein piezomechanischer Steller 25 vorhanden,
welcher an seinem einen Ende fest gelagert ist.
Ebenfalls mit einem Ende fest gelagert ist eine Glasfaser
28, welche sich im wesentlichen parallel zum piezomechani
schen Steller 25 erstreckt. Die Glasfaser 28 sowie der piezo
mechanische Steller 25 sind im Bereich ihrer freien Enden
durch ein geeignetes Mittel 29 miteinander verbunden.
Durch Spannungsbeaufschlagung kann der piezomechanische Stel
ler 25 entlang des Pfeiles A verbogen werden.
Gegenüber dem freien Ende der Glasfaser 28 befindet sich
eine weitere Glasfaser 31, welche fest und unbeweglich
gelagert ist. Benachbart und beabstandet zum stirnseitigen
Ende der Glasfaser 31 ist eine Linse 33 vorgesehen, welche
den optisch wirksamen Bereich des stirnseitigen Endes der
Glasfaser 31 vergrößert.
Durch eine Verbiegung des piezomechanischen Stellers 25 kann
erreicht werden, daß sich das freie Ende der Glasfaser 28
aus dem Bereich der Linse 33 herausbewegt, wodurch die von
der Glasfaser 28 in die Glasfaser 31 übertragene Lichtmenge
wahlweise reduziert werden kann.
Die Aufweitung des wirksamen Bereichs des stirnseitigen
Endes der Glasfaser 31 durch die Linse 33 ist sinnvoll, um
Justierarbeiten bei Montage des optischen Abschwächers mit
geringem Aufwand durchführen zu können. Anstelle der Linse
33 könnte ebenso eine Glasfaser verwendet werden, welche
einen größeren Querschnitt besitzt als die Glasfaser 28.
Auch hierdurch würde sich der Justieraufwand reduzieren
lassen.
Claims (22)
1. Entfernungsmesser, insbesondere einstrahliger Pulslaser-
Entfernungsmesser mit einem Lichtsender (1) , einem
Lichtempfänger (2), einem im Sende- oder Empfangszweig
gelegenen optischen Abschwächer (11) und einer Zeitmeß
einheit (13) zur Ermittlung der Lichtlaufzeit zwischen
Aussendung und Empfang eines Lichtsignals,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Lichtsender als einheitlicher und kompakter
Baustein (1) ausgebildet ist, in welchen eine Laserdiode
(17), Anschlußelemente (18) für die Laserdiode (17),
eine Vorrichtung zur Referenzimpulsauskopplung (19)
sowie ein Fasersteckanschluß (20, 21) zur Einkopplung
des ausgesandten Lichts in eine Lichtleitfaser (4) inte
griert sind, und daß der Lichtempfänger ebenfalls als
einheitlicher und kompakter Baustein (2) ausgebildet
ist, in welchen eine Photodiode, Anschlußelemente für
die Photodiode, eine Vorrichtung zur Referenzimpulsein
kopplung sowie ein Fasersteckanschluß zur über eine
Lichtleitfaser (10b) erfolgenden Einkopplung von
Empfangslicht integriert sind.
2. Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der Sende- und/oder der Empfangsbaustein (1, 2)
ein Volumen kleiner 1 cm3, bevorzugt kleiner 0,5 cm3 und
insbesondere ein Volumen von ungefähr 0,2 cm3 besitzt.
3. Entfernungsmesser nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Sende-/
Empfangsbaustein (1, 2) vor und/oder hinter der
Vorrichtung (19) zur Referenzimpulsauskopplung/Referenz
impulseinkopplung zumindest eine Linse (22), insbesonde
re eine Kollimatorlinse integriert ist.
4. Entfernungsmesser nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sende-/
Empfangsbaustein (1, 2) ein Gehäuse (16), insbesondere
ein Edelstahlgehäuse aufweist, in welchem die einzelnen
Komponenten (17, 19, 21, 22) des Bausteins (1, 2)
gehalten sind.
5. Entfernungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich
net, daß das Gehäuse (16) einen Durchbruch (23) zur
Referenzimpulsauskopplung/Referenzimpulseinkopplung auf
weist.
6. Entfernungsmesser nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung
zur Aus-/Einkopplung des Referenzimpulses durch einen im
jeweiligen Baustein integrierten Strahlteilerspiegel
(19) realisiert ist.
7. Entfernungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich
net, daß die Transmission des Spiegels (19) mehr als
90%, insbesondere mehr als 95% und bevorzugt zwischen
97% und 99% beträgt.
8. Entfernungsmesser nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode
(17) des Sendebausteins (1) zur Erzeugung von Laser
impulsen mit einer Dauer zwischen 1 und 50 ns, bevorzugt
mit einer Dauer von ungefähr 3 ns bei einer Leistung
zwischen 1 und 50 W, bevorzugt bei einer Leistung von
ungefähr 10 W ausgelegt ist.
9. Entfernungsmesser nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodiode
des Empfangsbausteins (2) als Avalanche-Photodiode mit
einer Bandbreite zwischen 20 und 500 MHz, bevorzugt mit
einer Bandbreite von ungefähr 200 MHz ausgelegt ist.
10. Entfernungsmesser nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitmeßein
heit (13) zur Ermittlung von Zeiten im ps-Bereich ausge
legt und insbesondere gemäß der am 31.1.1997 unter dem
Titel "Verfahren zur Bestimmung eines Zeitintervalls
zwischen zwei Ereignissen" (Unser Aktenz.: S 6320)
eingereichten deutschen Patentanmeldung der Anmelderin
ausgebildet ist.
11. Entfernungsmesser nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitmeßein
heit genau zwei Zeitmesser umfaßt.
12. Entfernungsmesser nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische
Abschwächer (11) im Empfangszweig zwischen einer
Empfangsoptik (9) und dem Empfangsbaustein (2) angeord
net ist.
13. Entfernungsmesser nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der optische
Abschwächer (11) als motorbetriebene Blende, insbesonde
re als motorbetriebene Kurvenscheibe oder Irisblende aus
gebildet ist.
14. Entfernungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, daß der optische Abschwächer
(11) als mikromechanische Baugruppe ausgeführt ist.
15. Entfernungsmesser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich
net, daß der optische Abschwächer (11) einen mechani
schen, insbesondere einen piezomechanischen Steller (25)
zur Verschiebung einer zwischen zwei einander gegenüber
liegenden Glasfaser-Enden (27) positionierbaren Blende
(26) umfaßt.
16. Entfernungsmesser nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich
net, daß der optische Abschwächer (11) einen mechani
schen, insbesondere einen piezomechanischen Steller (25)
zur relativ zueinander erfolgenden Verschiebung von zwei
einander gegenüberliegenden Glasfaser-Enden (28, 30)
umfaßt.
17. Verfahren zum Betrieb eines Entfernungsmessers nach
einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der optische Abschwächer (11) so eingestellt wird,
daß Referenz- und Empfangssignal die gleiche Amplitude
und/oder Impulsbreite aufweisen.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
die Impulsbreiten von Referenz- und Empfangssignal mit
tels der Zeitmeßeinheit (13) bestimmt werden und der
optische Abschwächer (11) so lange verstellt wird, bis
beide Impulsbreiten gleich sind.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß
im Rahmen jeder Sendeimpulsaussendung der zeitliche
Abstand von Referenz- und Empfangsimpuls sowie die
Impulsbreiten von Referenz- und Empfangsimpuls bestimmt
und gegebenenfalls der optische Abschwächer (11) zur
Erzeugung gleicher Impulsbreiten verstellt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß
die Impulsbreiten von Referenz- und Empfangsimpuls nur
bei jeder n-ten Sendeimpulsaussendung bestimmt werden,
woraufhin bei ungleichen Impulsbreiten der optische
Abschwächer (11) zur Erzeugung gleicher Impulsbreiten
verstellt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß
gilt n < 100, insbesondere n ungefähr gleich 1000.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ermittlung des zeitlichen
Abstandes von Referenz- und Empfangsimpuls und die
Ermittlung der Impulsbreiten unter Verwendung von nur
zwei Zeitmessern erfolgt.
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