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In Zusammenhang stehende Anmeldung
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Diese
Patentanmeldung beansprucht die Prioritätsrechte der
CN 200910034550,4 ,
eingereicht am 1. September 2009, deren Offenbarung hier in ihrer
Gesamtheit als Referenz mit aufgenommen wird.
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Hintergrund
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Optoelektronische
Entfernungsmesser werden verbreitet in den Gebieten Architektur,
Innendekoration und dergleichen eingesetzt, da sie über
eine hohe Messgenauigkeit verfügen. Solche Vorrichtungen
umfassen typischerweise einen Emitter, der modulierte Strahlen aussendet,
die von einem zu messenden Objekt reflektiert oder gestreut werden,
und einen optoelektronischen Empfänger. Derzeit gibt es zwei
Verfahren zur Messung des Abstands zwischen dem optoelektronischen
Entfernungsmesser und dem zu messenden Objekt. Ein Verfahren basiert
auf dem Prinzip der Phasenmessung, bei dem der Abstand zwischen
dem optoelektronischen Entfernungsmesser und dem zu messenden Objekt
unter Verwendung der Phasendifferenz zwischen den modulierten Strahlen
gemessen wird, die ausgesendet und dann vom optoelektronischen Empfänger
empfangen werden. Das zweite Verfahren basiert auf dem Prinzip der
Laufzeitmessung, bei dem der Abstand des zu messenden Objektes unter
Verwendung der Laufzeit des modulierten Strahls beim Empfang durch
den optoelektronischen Empfänger bezogen auf den Zeitpunkt
zu dem er vom Emitter ausgesendet wurde berechnet wird.
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Die
Messgenauigkeit solcher optoelektronischer Entfernungsmessvorrichtungen
kann jedoch durch die Umgebung und die Vorrichtung selbst beeinflusst
werden, z. B. durch eine Temperaturänderung in der Umgebung
und/oder eine Temperaturdrift des optoelektronischen Empfängers.
Folglich wird die Phasendrift durch die Temperaturänderung
in der Umgebung und/oder die Temperaturdrift des optoelektronischen
Empfängers derzeit dadurch beseitigt, dass ein innerer
optischer Referenzpfad mit einer vorgegebenen Länge in
der optoelektronischen Entfernungsmessvorrichtung festgelegt wird.
Beispielsweise offenbart
US-Patent
Nr. 5,949,531 ein System, in dem im aussendenden optischen
Pfad eine mechanische Umschaltvorrichtung zum Umschalten der vom
Emitter ausgesendeten modulierten Strahlen zwischen einem äußeren
optischen Messpfad und einem inneren optischen Referenzpfad vorgesehen
ist, wobei die über den äußeren optischen
Messpfad und den inneren optischen Referenzpfad übertragenen modulierten
Strahlen nacheinander vom optoelektronischen Empfänger
empfangen werden können, um dadurch ein Niederfrequenz-Messsignal,
bzw. ein Niederfrequenz-Referenzsignal zu erzeugen. Der Messfehler
der Entfernungsmessvorrichtung kann dann durch Subtraktion der Phasen
des Niederfrequenz-Messsignals und des Niederfrequenz-Referenzsignals
beseitigt werden. Dieses Verfahren kann in einem Messprozess häufig
durchgeführt werden, wobei das Messsignal und das Referenzsignal
mittels der mechanischen Umschaltvorrichtung alternativ in den optoelektronischen
Empfänger einlaufen. Die derzeit eingesetzte mechanische
Umschaltvorrichtung kann jedoch eine große mechanische
Last erfahren, was zur Folge hat, dass die mechanische Umschaltvorrichtung
dazu tendiert, während des Prozesses zu verschleißen
und zerstört zu werden. Außerdem verkompliziert
die mechanische Umschaltvorrichtung den inneren Aufbau der Entfernungsmessvorrichtung
und erhöht die Herstellungskosten sowie die Größe
und das Gewicht der Entfernungsmessvorrichtung, was für
eine Miniaturisierung der Entfernungsmessvorrichtung nicht hilfreich
ist.
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Als
weiteres Beispiel offenbart
US-Patent
Nr. 6,917,415 ein System, in dem im aussendenden optischen
Pfad eine Spektrometer-Vorrichtung vorgesehen ist, um die vom Emitter
ausgesendeten modulierten Strahlen in zwei Teile aufzuteilen. Ein
Teil der modulierten Strahlen wird durch den äußeren
optischen Messpfad auf das zu messende Objekt projiziert, und der
andere Teil der modulierten Strahlen wird direkt durch den inneren
optischen Referenzpfad vom optoelektronischen Empfänger
empfangen. Wie zuvor werden ein Niederfrequenz-Messsignal und ein
Niederfrequenz-Referenzsignal im optoelektronischen Empfänger
erzeugt. Während dieses System die Nachteile der oben beschriebenen
mechanischen Umschaltvorrichtung beseitigt, wird die Energie der modulierten
Strahlen, die über den äußeren optischen
Messpfad zum zu messenden Objekt gesendet werden, verringert, da
ein Teil der modulierten Strahlen in den inneren optischen Referenzpfad
abgetrennt wird, wodurch die Messfähigkeit der Vorrichtung
zur optischen Entfernungsmessung beeinträchtigt wird.
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Der
derzeit im optoelektronischen Entfernungsmesser benutzte Emitter
ist im Allgemeinen ein Halbleiterlaser, bei dem ein Halbleitermaterial
als Arbeitsmedium benutzt wird. Die Halbleitermaterialien umfassen
im Allgemeinen GaAs, CdS und ZnS. Es gibt drei Auslösemodi,
es sind dies Elektroneninjektion, Elektronenstrahl-Auslösung
und optisches Pumpen. Unter Bezugnahme auf 1 und 2 zeigt 1 den
Aufbau des inneren Kerns eines beispielhaften GaAs-Halbleiterlasers,
und 2 zeigt den Gehäuseaufbau eines beispielhaften
GaAs-Halbleiterlasers, der Arbeitsmedium, Resonanzkammer und Pumpquelle
enthält. Das Arbeitsmedium bezieht sich auf das GaAs-Halbleitermaterial
selbst mit einer Bandlücke, die auch PN-Übergang
genannt wird. Die Resonanzkammer umfasst im Allgemeinen zwei parallele
Ebenen, die vertikal zur Ebene des PN-Übergangs verlaufen,
wobei die beiden Ebenen üblicherweise als Spaltebenen des
Halbleiterkristalls benutzt werden und poliert sein können,
und die verbleibenden zwei Seiten von Ebenen sind relativ rau und
werden dazu benutzt, die Wirkung des Lasers in andere Richtungen
als die Hauptrichtung zu beseitigen. Die Pumpquelle ist der Strom,
der durch den PN-Übergang geliefert wird.
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3 zeigt
das Funktionsprinzip des beispielhaften Halbleiterlasers. In diesem
Zusammenhang erreicht der Halbleiterlaser eine Inversions-Verteilung
des Partikelstrahls und erzeugt eine stimulierte Strahlung, indem
Strom in den Halbleiter-PN-Übergang eingespeist wird, und
erzielt die optische Verstärkung, um Laser-Oszillation
durch die Mitkopplung der Resonanzkammer zu erzeugen. Da die Resonanzkammer
des Halbleiterlasers durch die Spaltebenen des Halbleiters ausgebildet
wird und die Spaltebenen üblicherweise ein Reflexionsvermögen von
35% aufweisen, reicht dies aus, um Laseroszillation hervorzurufen.
Wenn das Reflexionsvermögen erhöht werden muss,
kann die Kristall-Stirnfläche mit Siliziumdioxid beschichtet
werden, und dann wird zusätzlich eine Metallbeschichtung
(Silber) aufgebracht, wodurch ein Reflexionsvermögen von
mehr als 95% erzielt wird, somit können die zwei Spaltebenen
beide Laserlicht emittieren. In der derzeitigen Anwendung wir der
Abstand durch den Laserstrahl gemessen, der von einer der beiden
Spaltebenen emittiert wird, der Haupt-Laserstrahl genannt wird.
Um sicherzustellen, dass die Ausgangsleistung des Haupt-Laserstrahls
nicht durch Temperaturänderungen und Spannungsschwankungen
beeinträchtigt wird, wird derzeit eine automatische Kompensationsregelung
der Leistung des Haupt-Laserstrahls erzielt, indem die Lichtintensität
des Laserstrahls überwacht wird, der von der anderen Spaltebene
emittiert wird und der Kompensations-Laserstrahl genannt wird. Derzeit
wird eine Fotodiode zum Lasermodul hinzugefügt, um den
Kompensations-Laserstrahl zu überwachen, und die Ausgangsleistung
des Haupt-Laserstrahls wird durch ein externes Element auf einen konstanten
Wert geregelt. 4 zeigt das Halbleiterlasermodul
nach dem bisherigen Stand der Technik, wobei das Lasermodul eine
Laserdiode (LD) und eine Fotodiode (PD) enthält, wobei
die beiden Spaltebenen der Laserdiode jeweils den Haupt-Laserstrahl und
den Kompensations-Laserstrahl emittieren, während die Fotodiode
dazu benutzt wird, die Lichtintensität des Kompensations-Laserstrahls
zu überwachen.
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Zusammenfassung
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Um
die Nachteile des bisherigen Standes der Technik zu beseitigen,
wird nachstehend ein optoelektronischer Entfernungsmesser beschrieben,
der eine hohe Messfähigkeit aufweist, die ohne Verwendung
einer mechanischen Umschalteinrichtung vorgesehen wird.
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Spezieller
umfasst der optoelektronische Entfernungsmesser als Gegenstand der
Beschreibung: Einen Emitter mit einem ersten Ende zum Aussenden
eines Messungs-Lichtstrahls auf ein zu messendes Objekt und einem
zweiten Ende; einen Empfänger zum Empfangen des Messungs-Lichtstrahls, der
vom zu messenden Objekt reflektiert oder gestreut wird und zum Umwandeln
des empfangenen Lichtes in ein Messsignal; eine Signalverarbeitungs-Vorrichtung
zum Filtern des Messsignals und eines Referenzsignals; und eine
Steuerungs- und Analyse-Vorrichtung zur Analyse der mit dem Messsignal
und dem Referenzsignal verbundenen Informationen, um den Abstand
des zu messenden Objektes zu bestimmen, wobei das zweite Ende des Emitters
dazu benutzt wird, einen Referenzstrahl auszusenden, der vom Empfänger
empfangen und in das Referenzsignal umgewandelt wird. Die beschriebene
optoelektronische Entfernungsmessvorrichtung würde somit
folgende Schritte ausführen: Aussenden eines Messungs-Lichtstrahls
von einem ersten Ende eines Emitters auf ein zu messendes Objekt,
wo der Messungs-Lichtstrahl vom zu messenden Objekt reflektiert
oder gestreut wird; Empfangen des Messungs-Lichtstrahls, der vom
zu messenden Objekt reflektiert oder gestreut wurde und Umwandeln
des empfangenen Lichtes in ein Messsignal; Verarbeiten des Messsignals
und Vergleich mit einem Referenzsignal; und Bestimmen des Abstandes
des zu messenden Objektes auf der Grundlage der Informationen des
Messsignals und des Referenzsignals, wobei von einem zweiten Ende
des Emitters ein weiterer Referenz-Lichtstrahl ausgesendet wird,
der empfangen und in das Referenzsignal umgewandelt wird.
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In
dem optoelektronischen Entfernungsmesser und dem Verfahren, die
nachstehend beschrieben werden, werden ein Messstrahl und ein Referenzstrahl
vom ersten Ende, bzw. dem zweiten Ende des Emitters ausgesendet,
wodurch im Empfänger entsprechend ein Messsignal und ein
Referenzsignal erzeugt werden, und der Abstand des zu messenden Objektes
wird auf der Grundlage der Informationen des Messsignals und der
Referenzsignals bestimmt. Im Gegensatz zum bisherigen Stand der
Technik benötigt der nachstehend beschriebene optoelektronische
Entfernungsmesser keine zusätzliche mechanische Umschalteinrichtung
und verringert nicht die Energie des Messstrahls, der auf das zu
messende Objekt ausgesendet wird, wodurch der Aufbau der Messvorrichtung
vereinfacht und die Genauigkeit der Messvorrichtung erhöht
werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
bevorzugter optoelektronischer Entfernungsmesser wird nachstehend
in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genau beschrieben, in
denen:
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1 eine
schematische Ansicht des Aufbaus des inneren Kerns eines GaAs-Halbleiterlasers nach
dem bisherigen Stand der Technik ist;
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2 eine
schematische Ansicht des Gehäuseaufbaus des GaAs-Halbleiterlasers
von 1 ist;
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3 eine
schematische Ansicht des Funktionsprinzips des GaAs-Halbleiterlasers
von 1 ist;
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4 eine
schematische Ansicht eines Halbleiter-Lasermoduls nach dem bisherigen
Stand der Technik ist;
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5 eine
schematische Ansicht eines beispielhaften Halbleiterlasers mit doppelten
Laserstrahlen ist, der entsprechend der nachfolgenden Beschreibung
aufgebaut ist;
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6 eine
Ansicht einer beispielhaften Entfernungsmessvorrichtung ist, die
den optoelektronischen Entfernungsmesser mit Halbleiterlaser mit doppelten
Laserstrahlen aus 5 enthält;
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7 eine
schematische Ansicht eines Halbleiterlasers mit doppelten Laserstrahlen
ist, der entsprechend einer weiteren beschriebenen Ausführungsform
aufgebaut ist; und
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8 eine
Ansicht einer Entfernungsmessvorrichtung ist, die den optoelektronischen
Entfernungsmesser mit Halbleiterlaser mit doppelten Laserstrahlen
aus 7 enthält.
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Genaue Beschreibung
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Ein
optoelektronischer Entfernungsmesser, der auch als Vorrichtung zur
optoelektronischen Entfernungsmessung bezeichnet wird, benutzt einen Halbleiterlaser
mit doppelten Laserstrahlen als Emitter eines optischen Signals.
Wie in 5 gezeigt, die eine schematische Ansicht eines
beispielhaften Halbleiterlasers mit doppelten Laserstrahlen ist,
der entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform aufgebaut
ist, sendet der Halbleiterlaser 10 mit doppelten Laserstrahlen
einen Haupt-Laserstrahl 13 und einen Kompensations-Laserstrahl 14 auf
den beiden Spaltebenen 11, 12 aus. Der Haupt-Laserstrahl 13 wird
als Messstrahl über einen äußeren optischen Messpfad
auf ein zu messendes Objekt projiziert, und der Kompensations-Laserstrahl 14 wird über
einen inneren optischen Referenzpfad auf den optoelektronischen
Empfänger projiziert. In der vorliegenden Ausführungsform
ist eine Fotodiode (PD) zur Überwachung der Leistung des
Lasers weggelassen, und Fenster, durch die der Haupt-Laserstrahl 13 und der
Kompensations-Laserstrahl 14 nach außen projiziert
werden können, sind entsprechend der Position der beiden
Spaltebenen 11, 12 außen am Halbleiterlaser 10 vorgesehen.
Im Gegensatz zum bisherigen Stand der Technik, bei dem der Laser
nur an einem Ende einen Laserstrahl aussendet, sendet in der vorliegenden
Ausführungsform der Halbleiterlaser 10 mit doppelten
Laserstrahlen einen Laserstrahl an jedem seiner beiden Enden aus.
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6 ist
eine Ansicht einer Entfernungsmessvorrichtung, die die in 5 gezeigte
Vorrichtung zur optoelektronischen Entfernungsmessung mit Halbleiterlaser
mit doppelten Laserstrahlen enthält. Der Halbleiterlaser 10 sendet
an seinem einen Ende den Haupt-Laserstrahl 13 aus, d. h.
den Messungs-Laserstrahl, der über einen äußeren
Messpfad 33 auf ein zu messendes Objekt (nicht gezeigt)
projiziert wird, nachdem er durch ein kollimierendes optisches Element 40 kollimiert
wurde. Dann wird der reflektierte Messungs-Laserstrahl, der vom
zu messenden Objekt reflektiert oder zurückgestreut wurde, durch
ein optisches Empfangselement 35 empfangen und zu einem
optoelektronischen Empfänger 36 übertragen.
Der Halbleiterlaser 10 sendet auch einen Kompensations-Laserstrahl 14 am
anderen Ende aus, d. h. den Referenz-Laserstrahl, der über
ein Paar von Spiegelungselementen 371, 372 auf
einen optoelektronischen Empfänger 36 gerichtet
wird. Der Pfad, den der Referenz-Laserstrahl 14 von den
Spiegelungselementen 371, 372 zum optoelektronischen Empfänger 36 durchläuft,
bildet den wohlbekannten inneren optischen Referenzpfad 37.
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Ein
moduliertes Hochfrequenzsignal 321 wird zum Halbleiterlaser 10 übertragen,
um die Amplitude des Laserstrahls zu modulieren, und wird von einem
Signalgenerator 31 erzeugt und an den Halbleiterlaser 10 mit
doppelten Laserstrahlen ausgegeben, um den vom Laser 10 ausgesendeten
Laserstrahl zu modulieren. Mit dem durch das modulierte Hochfrequenzsignal 321 modulierten
Laserstrahl erzeugt der reflektierte Messungs-Laserstrahl, der vom optoelektronischen
Empfänger 36 über den äußeren Messpfad
empfangen wird, im optoelektronischen Empfänger 36 ein
Messsignal hoher Frequenz. Der Signalgenerator 31 erzeugt
auch ein ähnliches Hochfrequenzsignal 322, das über
eine Verbindungsleitung an den optoelektronischen Empfänger übertragen
wird. Das Hochfrequenz-Messsignal im optoelektronischen Empfänger 36 und
das Hochfrequenzsignal 322 werden gemischt, um ein Niederfrequenz-Messsignal
zu erzeugen. In diesem Beispiel ist der optoelektronische Empfänger 36 eine
Lawinen-Fotodiode, die auch als Mischer verwendet werden kann. Wenn
ein gebräuchlicher optoelektronischer Empfänger
benutzt wird, kann ein zusätzliches Mischerelement zum
Mischen des Hochfrequenz-Messsignals und des Hochfrequenzsignals benutzt
werden. Auf die gleiche Weise werden das Hochfrequenz-Referenzsignal,
das vom optoelektronischen Empfänger 36 über
den inneren optischen Referenzpfad 37 empfangen wurde,
und das Hochfrequenzsignal 322 gemischt, um ein Niederfrequenz-Referenzsignal
zu erhalten. Sicher kann ein Fachmann leicht verstehen, dass Alternativen
zum Empfang des Hochfrequenz-Referenzsignals benutzt werden können.
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Das
Niederfrequenz-Referenzsignal und das Niederfrequenz-Messsignal,
die nacheinander im optoelektronischen Empfänger 36 erzeugt
wurden, werden zur Verarbeitung an eine Signalverarbeitungs-Vorrichtung 38 übertragen.
Im Allgemeinen werden in der Signalverarbeitungs-Vorrichtung 38 das
Niederfrequenz-Messsignal und das Niederfrequenz-Referenzsignal
verstärkt und gefiltert, wodurch ein Niederfrequenz-Messsignal
und ein Niederfrequenz-Referenzsignal erzeugt werden, die Phasen-
oder Zeitinformationen enthalten. Im Allgemeinen wird das Signal
durch einen Transresistanzverstärker verstärkt,
und der Hochfrequenzanteil des Signals wird durch ein Tiefpassfilter
gefiltert. Das Niederfrequenz-Messsignal und das Niederfrequenz-Referenzsignal,
die Phasen- oder Zeitinformationen enthalten, die von der Signalverarbeitungsvorrichtung 38 verarbeitet
werden, werden weiter zum Controller 39 übertragen,
der den Abstand zwischen der Vorrichtung zur optoelektronischen
Entfernungsmessung und dem zu messenden Objekt auf der Grundlage
der Informationen des Niederfrequenz-Messsignals und des Niederfrequenz-Referenzsignals
bestimmt.
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7 ist
eine schematische Ansicht des Halbleiterlasers mit doppelten Laserstrahlen
entsprechend einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. In
dieser Ausführungsform sendet der Halbleiterlaser 20 mit
doppelten Laserstrahlen einen Haupt-Laserstrahl 23 und
einen Kompensations-Laserstrahl 24 an den beiden Spaltebenen 21, 22 aus.
Der Haupt-Laserstrahl 23 wird als Messstrahl über
einen äußeren optischen Messpfad auf ein zu messendes Objekt
projiziert, und der Kompensations-Laserstrahl 24 wird zu
einer Fotodiode 25 gesendet, welche die Ausgangsleistung
des Haupt-Laserstrahls 23 auf einen konstanten Wert regelt,
indem sie den Kompensations-Laserstrahl 24 überwacht.
In dieser Ausführungsform wird ein Teil des Kompensations-Laserstrahls 24 über
eine optische Faser 26 als Referenzstrahl zum optoelektronischen
Empfänger geleitet. 8 ist eine
Ansicht einer beispielhaften Entfernungsmessvorrichtung, die die
in 7 gezeigte Vorrichtung zur optoelektronischen
Entfernungsmessung mit Halbleiterlaser mit doppelten Laserstrahlen enthält.
Das Messprinzip ist im Wesentlichen das gleiche wie in der vorherigen
Ausführungsform mit der Ausnahme, dass der Halbleiterlaser 20 mit
doppelten Laserstrahlen an einem Ende den Laser-Messstrahl 23 aussendet
und an dem anderen Ende mit der optischen Faser 26 verbunden
ist, die vom Laser 20 einen Teil des Kompensations-Laserstrahls 24 als
Referenzstrahl leitet. Der durch die optische Faser 26 übertragene
Referenzstrahl wird direkt vom optoelektronischen Empfänger
empfangen und erzeugt dementsprechend ein Referenzsignal. Der Pfad,
den der Referenzstrahl von der optischen Faser 26 zum optoelektronischen
Empfänger 36 durchläuft, bildet den wohlbekannten
inneren optischen Referenzpfad.
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Vorzugsweise
ist in den oben angegebenen zwei Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung ein Licht-Einstellventil zusätzlich
im optischen Referenzpfad angeordnet. Das Lichtventil kann den Transmissionsgrad
einstellen und steuert dadurch die Heftigkeit des am anderen Ende
des Lasers ausgesendeten Referenzstrahls.
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Die
oben genau beschriebenen Ausführungsformen sollen die Konzepte
und Prinzipien der vorliegenden Erfindung erläutern und
es ist nicht beabsichtigt, dass sie den Umfang der im Folgenden beanspruchten
Erfindung einschränken. Fachleute können leicht
verstehen, dass viele andere Änderungen und Abwandlungen
dieser bevorzugten Ausführungsformen durchgeführt
werden können, ohne von Erfindungsgedanke und Umfang der
Erfindung abzuweichen, wie in den folgenden Ansprüchen
festgelegt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - CN 200910034550 [0001]
- - US 5949531 [0003]
- - US 6917415 [0004]
