DE2834821A1

DE2834821A1 - Einrichtung zum ueberpruefen der betriebseigenschaften von laser-entfernungsmessgeraeten

Info

Publication number: DE2834821A1
Application number: DE19782834821
Authority: DE
Inventors: Leroy O Braun
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1977-08-17
Filing date: 1978-08-09
Publication date: 1979-02-22
Also published as: IT7850739A0; IT1105777B; JPS5432349A; FR2400698B1; NL190651B; SE440154B; DE2834821C2; SE7808652L; IL55062A; NO151871C; BE869468A; NO782787L; NL7808553A; JPS5921512B2; GB2003292B; NL190651C; NO151871B; US4121890A; GB2003292A; FR2400698A1

Description

Anmelderin: Stuttgart, den 4-, August 1978

Hughes Aircraft Company P 3575 8/kg Centinela Avenue and

Teale ütreet

Culver City, Calif., V.StoAo

Vertreter:

Kohler - ßchwindling - Späth
Patentanwälte
Hohentwielstraße 4-1
7000 Stuttgart 1

Einrichtung zum Überprüfen der Betriebseigenschaften von Laser-Entfernungsmeßgeräten

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Überprüfen der Betriebaeigenschaften von Laser-Entfernungsmeßgeräten, die auf parallelen oder zusammenfallenden Pfaden kohärentes Licht aussendende bzw. empfangende üende- und Empfangseinheiten umfassen.

909808/0937

Bekannte Einrichtungen zum optischen Justieren von Laser-Entfernungsmeßgeräten sind relativ umfangreich und schwerfällig, weil ein großer Bereich benötigt wird, um Licht in Richtung auf ein Ziel auszusenden und von dem Ziel wieder zu empfangene Daher sind solche Justiereinrichtungen normalerweise von dem Laser-Entfernungsmeßgerät getrennte Bekannte Einrichtungen dieser Art umfassen ein einfaches Objektiv, das dazu dient, das Ausgangssignal der Sendeeinheit auf ein wärmeempfindliches Ziel zu richten. Die Reaktion des Zielmaterials, gewöhnlich in Form eines Brennfleckes, wird dann durch den optischen Weg der Empfangseinheit und das gleiche Objektiv betrachtet, das auch von dem ausgesandten Licht durchlaufen worden ist. Die Relativstellung zwischen dem Brennfleck und dem Fadenkreuz im Beobachtungsweg bestimmen den Grad der Systemjustierung. Bekannte Einrichtungen zur Überprüfung der Entfernungsmeßgenauigkeit von Laser-Entfernungsmeßgeräten macht von einer angezapften Faser-Verzögerungsleitung Gebrauch, ermöglicht jedoch nicht eine einfache und genaue Justierung der Ausrichtung von Sende- und Empfangseinheiten.

Demgemäß besteht ein Bedarf an einer Einrichtung zum Überprüfen der Justierung und der Entfernungsmessung für Laser-Entfernungsmeßgeräte, die keinen ausgedehnten Raum zur Übertragung und zum Empfang optischer Signale zu bzw. von einem Ziel benötigen. Insbesondere wäre es

909808/0937

von großem Vorteil, wenn eine Einrichtung zum Überprüfen der Justierung und der Entfernungsmessung zur Verfügung stünde, das bei geringem Platzbedarf zuverlässige und konstante Eigenschaften aufweist und dazu geeignet wäre, mit einem Laser-Entfernungsmeßgerät ständig verbunden zu werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Einrichtung zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß mit der Sende- und der Empfangseinheit eine optische Verzögerungseinheit mittels einer optischen Koppeleinrichtung gekoppelt ist, die eine erste Fläche und eine zur ersten Fläche nichtparallele zweite Fläche in solchen Stellungen aufweist, daß die erste Fläche auf den genannten Wegen das vom Sender emittierte Licht empfängt bzw_o Licht auf den Empfänger überträgt, während die zweite Fläche eine Übertragung von Licht zu und von der Verzögerungseinheit bewirkt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Verzögerungseinheit einen optischen Wellenleiter, der insbesondere von einem optischen Faserleiter gebildet werden kann, während die Koppeleinrichtung von einer einzigen Linse oaer einem einzigen Prisma gebildet wird₀ Auf dieae V/eise erhält die erfindungsgemäße Einrichtung eine sehr kompakte Struktur, ao daß sie auch einen integralen bestandteil des Laser-Entfernungsmeßgerätes bilden kann«

909808/0937

Dabei besteht ein besonderer Vorteil darin, daß mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ein in einer bestimmten Entfernung liegendes Ziel simuliert werden kann, zu dem konstante Übertragungswege bestehen.

Darüber hinaus läßt sich die erfindungsgemäße Einrichtung auch zur Überprüfung der Empfindlichkeit des Laser-Entfernungsmeßgerätes benutzen, weil die Verzögerungseinheit mit einer bestimmten Dämpfung ausgebildet werden kanne Endlich besteht auch die Möglichkeit, die ordnungsgemäße Funktion der Verzögerungseinheit während des Betriebes der erfindungsgemäßen Einrichtung zu überprüfen, damit nicht Fehler bei Kontrollen der Entfernungsmessung auftreten.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreihung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die dicke Linse der Einrichtung nach 3?ig. 1 in Richtung des Pfeiles II,

909808/0937

Figo 3 eine achematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Einrichtung nach der Erfindung unter Verwendung eines Prismas,

Fig. 4 einen Schnitt durch das -Prisma der Einrichtung nach Fig. 3 längs der Linie IV-IV,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Prismas, wie es in einer Einrichtung nach der Erfindung verwendbar ist,

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI durch das Prisma nach Fig. 5,

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Laser-Entfernungsmeßgerätes, bei dem der optische Weg der Wendeeinrichtung nur einen relativkleinen Anteil des optischen Weges der Empfangseinrichtung einnimmt, und der Relativstellung einer Prüfeinrichtung in bezug auf diese optischen Wege,

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Laser-Entfernungsmeßgerätes, das eine gemeinsame öffnung zum Aussenden und Empfangen von Strahlung aufweist und bei dem eine Einrichtung nach der Erfindung im wesentlichen die gesamte Strahlungsöffnung des Laser-Entfernungsmeßgerätes erfassen kann, und

909808/0937

OAS

Figo 9 eine scheiaatische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Einrichtung nach der Erfindung für ein Laser-Entfernungsmeßgerät, das eine gemeinsame öffnung für das Aussenden und Empfangen von Strahlung aufweist.

Bei der in Pig. 1 dargestellten Anordnung wirkt die optische Einrichtung zur Überprüfung der Entfernungsmessung und der Justierung mit einem Laser_Entfernungsmeßgerät zusammen, das eine iiendeeinheit 10 und eine Empfangseinheit 12 umfaßt. Ein durch die Kurve 14 veranschaulichter Impuls oder üignal kohärenten Lichtes wird von der üendeeinheit 10 als Strahl 11 dem ersten Ende 16 einer ersten Fläche 18 einer optischen Koppeleinrichtung 20 zugeführt, die in diesem Fall von einer dicken Linse gebildet wird, welche eine sphärisch gekrümmte Fläche 22 aufweist. Der durch die Kurve 14 veranschaulichte Impuls durchläuft die optische struktur der Koppeleinrichtung 20 und gelangt zu der zweiten, sphärischen Fläche 22_O Der in Fig. 1 sowie auch in den anderen Figuren der Zeichnung veranschaulichte Weg ist für den Weg eines Lichtstrahles typisch. An der zweiten Fläche 22 tritt ein Teil des Lichtes aus der dicken Linse aus, jedoch wird durch Reflexion ein erheblicher Anteil des Lichtes zurück in Pachtung auf die erste Fläche 18 reflektiert. Wenn das Licht wieder die erste Fläche 18 erreicht, tritt wieder ein ieil davon aus der dicken Linse aus, jedoch wird auch wieder ein anderer Anteil

909308/0937

BAD ORIGINAL

in Dichtung auf die zweite Fläche 22 reflektiert. Dieser Vorgang kann sich in Abhängigkeit von der Gestalt der Koppeleinrichtung in gewünschter Weise mehrfach wiederholen,, Gleichzeitig wird das Licht in zunehmendem Maße durch die Wirkung der gekrümmten zweiten Fläche 22 auf einen Brennpunkt 24 fokussiert,, -Ln der Praxis ist das die Koppeleinrichtung 20 darstellende optische Gebilde so gestaltet, daß in dem gerade außerhalb des optischen Gebildes liegenden Brennpunkt 24 ein minimaler btrahldurchmesaer erzielt wird. An dieser Ütelle wird die Energie als Ütrahl in das iiingangsende 26 eines einzelnen optischen Faser_ leiters oder optischen Wellenleiters 28 injiziert, bei dem es sich um eine übliche optische Glasfaser handeln kann, die eine schrittweise oder graduelle Änderung des Brechungsindexea des Glases vom Kern zu äußeren Bereichen in solcher V/eise aufweist, daß das längs der Faser transportierte lacht im Kernbereich der Faser geleitet wird. Bei der Beschreibung der -Erfindung ist unter optischer Faser jeder optische Glasfaser-Wellenleiter oder eine Faser aus jedem anderen Material zu verstehen, die in der Lage ist, ein Lichtsignal in seiner Längsrichtung zu übertragen während unter Licht oder Lichtenergie jene •Energie bei Frequenzen zu verstehen ist, die mittels einer aolchen optischen Faser übertragbar ist, also auch Energie im Bereich des optischen Infrarot sowie höherer Frequenzen, Der Brennpunkt kann als Punkt auf der optischen Achse definiert werden, den jeder Strahl durchläuft, der in die Linse parallel zu deren optischer Achse eintritt,,

909808/0937

BAD ORIGINAL

Der Liehtimpula, der dem Lingangsende 26 der optischen Faser 28 zugeführt worden ist, wird längs dieser Faser bis zu deren zweitem L'nde 27 transportiert und dort von einem Heflektor oder Üpiegel 30, der halbdurchlässig sein kann, reflektiert und dann durch die ganze Länge der Faser zurückgesandt, so daß das Signal eine zeitliche Verzögerung erleidet, die erforderlich ist, um ein simuliertes Echosignal zu erzeugen und der -Empfangseinrichtung die Zeit zu geben, die zum Abklingen von Störsignalen erforderlich ist, die beim Auslösen der fcJendeeinheit erzeugt worden sind. Die optische Faser 28 und der Reflektor 30 sind Bestandteil einer Verzögerungseinheit 31.

Wenn das reflektierte Licht die Kopplungseinrichtung 20 wieder erreicht, tritt der Lichtstrahl wieder in die gekrümmte Fläche 22 ein und erleidet dann eine Anzahl von Heflexionen, die den Reflexionen gleich sind, die der Lichtstrahl vor dem Eintritt in die optische Faser erlitten hat. Dann tritt der -Lichtstrahl am zweiten ISnde aus der ersten Fläche 18 aus der Kopx>eleinrichtung 20 in Form eines parallelisierten Strahles 33 au3, der parallel zum Eingangsstrahl 11 verläuft. Dieser Strahl gelangt dann in die Empfangseinheit 12 des Laser-üntfernungsmeßgerätes und erzeugt dort einen simulierten L'choimpuls. L'in Teil de3 Lichtes, das an der zweiten Fläche 22 in die Koppeleinrichtung 20 eintritt, wird auch zurück in Hichtung auf den Weg 11 reflektiert. Ls sei an dieser ütelle auch

909808/0937

bemerkt, daß alle Strahlen, welche die dicke Linse an einem beliebigen Punkt ihrer ersten Fläche eintreten und zum Brennpunkt 24 gelangen und dann anschließend wieder aus der Linsenstruktur austreten, alle parallel zueinander verlaufen und in der Linse (oder einem äquivalenten Prisma) die gleiche zeitliche Verzögerung erfahren» Bei manchen Ausführungsformen der Erfindung kann auch die erste Fläche 18 gekrümmt sein, E« Kind jedoch auch bei einer gekrümmten Fläche die eingangs- und Ausgangsstrahlen 11 bzw. parallel. Wie aus der Seitenansicht nach Fig. 2 hervorgeht, kann die Koppeleinrichtung 20 eine rechteckige Gestalt haben. Statt dessen ist aber auch in der Draufsicht nach Fig. 2 jede andere Gestaltung möglich, beispielsweise eine kreisförmige.

E3 ist auch zu bemerken, daß die Energie, die an der Fläche 22 an der Stelle des Brennpunktes 24 in Hichtung auf den zur Empfangseinheit 12 führenden Pfad 33 reflektiert wird, ohne die optische Faser 28 zu durchlaufen, zu einer ^eit auftritt, die einer sehr geringen Entfernung entspricht und die daher entweder gesperrt oder auf dem Darstellungsgerät der Empfangseinheit 12 unbeachtet bleiben kann. Bei der in Fig. 1 dargestellten dicken Linse durchläuft das Licht zu jeder Seite des Brennpunktes 24 fünf Wege innerhalb der Linse. Bei jeder Reflexion an der ersten Fläche 18 wird dabei etwas Energie abgestrahlt, die möglicherweise die Empfangseinheit

erreichen kann» Anders als die den Strahl 33 bildende ■Energie ist Jedoch die an diesen Keflexionsstellen austretende ünergie weder fokussiert noch parallelisiert, so daß diese Energie nicht zum Auslösen der Empfangseinheit 12 ausreicht.

In der Praxis kann der Abschnitt der Koppeleinrichtung 20, an dem Reflexionen nach dem Durchlaufen der optischen Faser stattfinden, beschichtet sein, um das Reflexionsvermögen der Flächen zu erhöhen und dadurch die Lichtdämpfung zu vermindern, wogegen der Abschnitt der Koppeleinrichtung 20, in dessen Bereich Reflexionen vor dem Eintritt des dichtes in die optische Faser stattfinden, beschichtet oder auch nicht beschichtet sein kann, je nach den zulässigen Dämpfungswerten, welche die Koppeleinrichtung 20 aufweist.

Zur Erzeugung einer brauchbaren Einrichtung ist ein zusätzliches Element erforderlich, das die Ausrichtung des Laser-Entfernungsmeßgerätes auf die optische Koppeleinrichtung 20 und die Verzögerungseinheit 31 ermöglicht. Dieses zusätzliche Element besteht bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform in einer Lichtquelle 32, die hinter dem halbdurchlässigen Heflektor 30 angeordnet ist. Die Lichtquelle 32 kann beispielsweise von einer Glühlampe oder einer Leuchtdiode gebildet werden. Das Von dieser Lichtquelle ausgehende Licht durchdringt den Reflektor 30 und anschließend die optische Faser, die

•909808/0937

283A821

Koppe !einrichtung ?0 und gelangt so zu der iiinpfangseinheit 12 auf dem gleichen optischen Weg wie das kohärente Licht des Lasers. Ua die meisten Laseriiiitfernungsmeßgeräte ein visuelles Beobachtungssyatem haben, das in die L'mpfangseinheit eingebaut ist, braucht der Benutzer lediglich das Licht durch die Empfangseinheit zu betrachten und die optische Achse der Empfangηeinheit auf das Licht auszurichten. Dann wird die üendeeinheit ausgelösto Wenn Bend«- und i^mpfangseinheit optisch ausreichend justiert sind, wird ein ausreichender Anteil des ausgesendeten Lichtes auf den Brennpunkt 24 reflektiert, der sich an der ■Bintrittsöffnung der optischen Faser befindet, durchläuft dann die optische Faser und wird anschließend von der Empfangseinheit 12 erfaßt. Ist die Justierung jedoch unzureichend, befindet sich der Brennpunkt des Lichtes nicht an der -^ingangsöffnung der optischen Faser und es erhält die ^mpfangseinheit keine für eine Messung ausreichende Lichtmenge_o Bei manchen Laser-ii'ntfernungsiaeßgeräten kann auch ein visuelles Beobachtungssystem in die üendeeinheit eingebaut sein, so daß die Ausrichtung der optischen Achsen von Sende- und i^mpfangseinheit mittels dieser optischen Einrichtungen erfolgen kann»

Bei der in Fig. 5 dargestellten Anordnung, tritt eine ausgesendete ImpulsSignalenergie mit der durch die Kurve 38 angegebenen Form in die erste Fläche 18a

S09808/G937

eines Prismas 44 ein, wird an einer Diagonalfläche 48 reflektiert und gelangt zu der zweiten Fläche 22a, die eine sphärische Gestalt hat. An dieser zweiten Fläche 22a tritt ein Teil des Lichtes aus dem Prisma aus, jedoch wird infolge von Reflexion ein Anteil des Lichtes auf die Diagonalfläche 48 und anschließend zur ersten Fläche 18a zurückgesandt. Wenn das Licht die erste Fläche 18a erreicht, tritt erneut ein Teil des Lichtes aus dem Prisma aus, jedoch wird ein anderer Anteil wieder reflektiert. Dieser Vorgang kann sich so oft wiederholen, wie es gewünscht ist. Die Anzahl der Wiederholungen hängt von der Ausbildung des Prismas ab. Gleichzeitig wird das Licht durch die Wirkung der sphärisch gekrümmten zweiten Fläche 22a zunehmend fokussiert. In der Praxis ist das Prisma so ausgebildet, daß es dem Strahl in einem Brennpunkt 41 einen minimalen Durchmesser erteilt. Der Brennpunkt 41 liegt gerade außerhalb des Prismas. An dieser Stelle wird der Strahl in das linde 26 der optischen Faser der Verzögerungseinheit 31 in der gleichen Weise injiziert, wie ea in Fig_o 1 dargestellt ist. Wenn der Strahl nach der Reflexion in der Verzögerungseinheit zum Prisma zurückkehrt, tritt das Licht erneut in das Prisma ein und erleidet eine Anzahl von Reflexionen, die denen gleich sind, die er vor dem Eintritt in die Verzögerungseinheit 31 erfahren hat. Dann tritt das Licht als Strahl aus dem Prisma aus. Dieser Strahl 40 wird der ISmpfangseinheit 12 des Laser-Entfernungsmeßgerätes zugeführt,

909808/0937

um dort ein Signal zu erzeugen, das einer simulierten ■Entfernung zugeordnet ist. Der in Fig. 4 dargestellte Schnitt dient zur weiteren ^eranschaulichung der Reflexion eines typischen Strahles an den drei Flächen 18a, 22a und 4-8. Die Fläche 49 des Prismas wird nicht als Reflexionsfläche ausgenutzt» Wie bereits in bezug auf Figo 1 erwähnt, liegt es im Rahmen der Erfindung, daß die Flächen 18a und 48 gekrümmt sind. Demgemäß umfaßt die Erfindung die Anwendung einer optischen Koppeleinrichtung, die eine lieflexionsflache mit sphärischer Gestalt und wenigstens eine zusätzliche Heflexionsfläche aufweist, die eben oder gekrümmt sein kann.

Eine Überprüfung der Justierung oder Ausrichtung der Sende- und Empfangseinleiten 10 bzw. 12 findet bei den in den Fig_o 1 und 3 dargestellten -Einrichtungen aufgrund der Tatsache statt, daß wegen der optischen Struktur der Koppeleinrichtungen 20 bzw. 44 die Eingangsstrahlen 11 bzw· 39 und Ausgangsstrahlen 33 bzw. 40 parallel sind und die Empfangseinheit nicht den Empfang eines Signales anzeigt, wenn Sende- und Empfangseinheiten nicht parallel zueinander ausgerichtet sind. Wenn beispielsweise der Lichtweg 33 der Empfangseinheit visuell auf die Lichtquelle 32 ausgerichtet worden ist, tritt, wenn nicht auch die Sendeeinheit richtig Justiert ist, der auf dem Weg 11 ausgesandte Lichtstrahl nicht in die Empfangseinheit ein, da die Wege 11 und 33 stets parallel zueinander verlaufen. Durch Wahl der Länge der optischen

909808/0937

Faser 28 in der Verzögerungseinheit 31 kann zu Prüfungszwecken jede beliebige Entfernung simuliert werden. Ks verstönt sieh, daß die Verzögerung in der optischen Faser 28 sich zu der Verzögerung in der optischen Linse oder dem Prisma addiert. Das Prinzip der Erfindung ist nicht auf die Anwendung einer einzigen Verzögerungszeit beschränkt» sondern es können außerhalb der optischen Struktur nicht dargestellte, umschaltbare Valvationen vorgesehen sein, beispielsweise in der Verzögerungseinheit 31 _r um verschiedene zeitliche Verzögerungen oder ■Entfernungen einstellen zu können.

Um zu verdeutlichen, daß das Prinzip der Erfindung nicht auf einen speziellen A.ufbau der optischen Koppeleinrichtung, also eine bestimmte Linsen- oder Prismenforia beschränkt ist, veranschaulichen die Fig. 5 und 6 eine weitere Prismenstruktur, die als Kappeleinrichtung geeignet ist. Das in den Fig. 5 und 6 dargestellte Prisma weist eine obere Fläche 60 auf, durch die hindurch ein von einer Sendeeinhöit gelieferter, typischer Lichtstrahl 76 in das Prisma eindringen kann, in welchem er von einer Fläche 62 reflektiert wird, die eben oder gekrümmt sein kann. Der Lichtstrahl gelangt dann zu einer Fläche 66, die ebenfalls eben oder gekrümmt sein kann, und wird von dort au einer Fläche 64 reflektiert, die eine sphärische Form aufweist. Der Lichtstrahl wird dann von der sphärischen Fläche 64 wieder zur Fläche 66 und von dort zur Fläche 62 reflektierte Diese Reflexionen

909808/0937

setzen sich in gleicher Weise bis zu einem Brennpunkt fort, der sich auf oder nahe der Fläche 64 befindet. Ein typischer Strahl tritt dann in das Ende 26 der optischen Faser der Verzögerungseinheit J51 ein, von deren Ende sie dann wiederum zum Brennpunkt 70 reflektiert wird. Die Reflexionen setzen sich dann unter der Wirkung der sphärischen Fläche 64 derart fort, daß die gleiche Anzahl von Reflexionen zur rechten Seite des Brennpunktes 70 erfolgen, wie zuvor links davon stattgefunden haben* Als Ergebnis tritt der Strahl durch die Fläche 60 als Strahl 80 aus, der parallel zum Eingangsstrahl 76 gerichtet ist. Die dargestellten Reflexionswege sind symmetrisch zum Brennpunkt 7O₉ da sich der Brennpunkt 70 im Zentrum der sphärischen Fläche 64 befindet.

Fig. 7 veranschaulicht schematisch eine Draufsicht auf ein Laser-iintfernungsmeßgerät und eine Koppeleinrichtung beliebiger Art nach der Erfindung, die nur einen Abschnitt des Strahlwegea der Empfangseinheit überdeckt, dessen Querschnitt durch einen Kreis 92 angedeutet ist und bei dem der Strahlweg der Sendeeinheit, der durch den Kreis wiedergegeben wird, sich an einem Ende der optischen Koppeleinrichtung 90 befindet«, Da alle ausgesandten Strahlen, welche in die Koppöleinrichtung 90 eintreten_s den Brennpunkt 96 passieren und die Koppeleinrichtung parallel zum Eingangsstrahl mit der gleichen zeitlichen Verzögerung verlassen, ist die erfindungsgemäß© Einrichtung in Verbindung axt der optischen Konfiguration, des in Fig. 7 dargestellten Laser-Entfernungsmeßgerätes betreibbar_o

Fig. 8 zeigt die Draufsicht auf ein Laaer-Entfernungsmeßgerät, "bei dem die Strahlengänge der Sende- und Empfangseinheiten zusammenfallen. Die Strahlengänge sind durch den Kreis 98 veranschaulicht. Im Kreis 98 "befindet sich auch der kreisförmige Körper einer Koppeleinrichtung 20 in Form einer dicken Linse, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist und die in ihrem Zentrum den Brennpunkt 99 aufweist. Die dicke Linse ist durch den Kreis 100 veranschaulicht. Die dicke Linse 100 ist im Brennpunkt 99 mit der Verzögerung einheit 31 gekoppelt. Da alle ausgesandten Strahlen den Brennpunkt 99 passieren und die Sende- und Empfangsstrahlen parallel zueinander in die optische Linse eintreten bzw. austreten, wird auch hier wieder eine Überprüfung der Entfernung und Justierung sowie auch der Ausrichtung erzielt. Weiterhin erleiden auch hier alle parallel zueinander in die Linse eintretenden und aus ihr austretenden Strahlen die gleiche zeitliche Verzögerung«

Die in Fig. 9 dargestellte Prüfeinheit nach der Erfindung wirkt mit einem Laser-Entfernungameßgerät zusammen, das eine kombinierte Sende-Empfangs-Einheit 110 aufweist. Ein Sendeimpuls oder ein von Laserenergie gebildetes Signal mit der durch die Kurve 102 dargestellten Fora wird von der Sendeöffnung der Sende-Empfangs-Einheit 110 als Strahl 101 dem ersten Ende einer ersten Fläche 116 einer optischen Koppeleinrichtung 106 zugeführt. Die erste Fläche 116 kann eben oder kreisförmig sein. Der durch die Kurve 102 dargestellte Impuls gelangt in der Koppeleinrichtung 106 zu einer

909808/0937

Fläche 107, die eine sphärische Gestalt hat* Der in Fig„ 9 dargestellte Weg ist der typische Weg eines Lichtstrahles, An der zweiten Fläche verläßt ein Teil des Lichtes die optische Koppsleinrichtungo Ein ■wesentlicher Teil das Lichtes \?ird jedoch in Hichtung auf die erste Fläche zurückreflektiert_o Yienn das Licht srnout die erste Fläche erreicht, tritt sin Teil des Lichtes aus der Koppeleinrichtung aus, jedoch wird erneut ein Anteil in Richtung auf die zweite Fläche reflektierte Die Zahl der Wiederholungen dieses Vorganges ist wählbar und hängt von der geometrischen Gestalt der Koppeleinrichtung 106 ab ο Gleichzeitig wird das Licht infolge der Krümmung der zweiten Fläche 107 zunehmend fokussiert_o Die optische Koppeleinrichtung ist so ausgebildet , daß der strahl seinen kleinsten Durchmesser im Brennpunkt 105 besitzt, der gerade außerhalb der Koppeleinrichtung liegt= An diesem Brennpunkt wird das Licht in. die Verzögerungseinheit 31 injiziert_s die ebenso ausgebildet sein kann wie die Verzögerungseinheit in Figo 1„ ΐίθηη der reflektierte Strahl zum Prisma zurückgelangt, tritt er wieder in das Prisma ein und erleidet darin ein© Folge von Eeflexionen₉ die mit der Folg© übereinstimmt, die der Strahl vor dem Eintritt in die Verzögerungseinheit erlitten hato Der Strahl tritt dann aus der Koppsleinrichtung aus der gleichen ersten Fläche als Strahl 101 wieder aus« Dieser Strahl wird dann dQEi Empfangsteil des Laser-Entfernungsmeßgerätes augeführt_s das ©in für die aimulierte Entfernung charakteristisches Ausgangsaignal erzeugt., Er tritt dabei durch die gleiche Öffnung ein, aus welcher der

/OSST

283A821

Sendeimpuls gemäß Kurve 102 ausgesandt wurde« Die Sende-Empfangs-Einheit 110 stimi.it mit der in Fig. 8 dargestellten überein» In diesem Fall ist die Anordnung getroffen, daß die Dicke der Koppeleinrichtung 106 am Ende 104 größer ist als am Ende 105. Die zweite Fläche 107 ist zwischen diesen beiden -Enden sphärisch gekrümnto

Die Empfindlichkeits-Überprüfxing der Sende-Empfangseinrichtung erfolgt mit einer Vorrichtung nach der Erfindung aufgrund der Tatsache_r daß diese Einrichtung eine bestimmte feste Dämpfung aufweist und daß das Laser-Entfernungsmeßgerät bis zu einem maximalen Verhältnis zwischen Sende- und Empfangsleistung Signale ordentlich aufnehmen und zur Entfernungsmessung verarbeiten muß„ Wenn dieses Leistungsverhältnis beim geprüften Entfernungs-Meßgerät größer ist als die von der Uberprüfungseinrichtung bei justiertem Entfernungsmeßgerät eingeführte Dämpfung, dann stellt das Laser-Entfernungsmeßgerät ein simuliertes Echosignal fest«.

Es wurde demnach eine eine Faseroptik umfassende Einrichtung beschrieben, die bei Zuführen eines einzigen Eingangs-Lichtimpulses einen einzigen Ausgangs-Lichtimpuls erzeugt und Teil einer Einrichtung zur Überprüfung der Entfernungsmeßgenauigkeit, der Empfindlichkeit und der optischen Justierung eines Laser-Entfernungsmeßgerätes ist. Diese Einheit wurde bezüglich ihrer Größe bedeutend reduziert und liefert ein Signal, das für eine bestimmte Entfernung

909808/0937

charakteristisch ist. Diese Einrichtung umfaßt eine optische Koppeleinrichtung, die nicht auf eine bestimmte Ausbildung beschränkt ist, die jedoch eine sphärisch gekrümmte Fläche und wenigstens eine zusätzliche Fläche aufweisen muß. Da es sich bei der erfindungsgemäßen Einrichtung um ein rein passives Gerät handelt, hat es im wesentlichen konstante, unveränderliche Eigenschaften,,

In der Praxis müssen für die optimale Ausbildung einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Überprüfung von Laser-Entfernungsmeßgeräten verschiedene charakteristische Eigenschaften des zu überprüfenden Laser-Entfernungsmeßgerätes berücksichtigt werden. Diese Eigenschaften sind die Divergenz des Sendestrahles, das Blickfeld der Empfangseinrichtung sowie die Anordnung und Größe der Öffnungen der Sende- und Empfangseinheiten»

Um eine maximale Justiergenauigkeit bei der Ausrichtung von Sender und Empfänger zu erzielen, die mit der minimalen oder wenigstens annähernd minimalen Dämpfung des Lichtes beim Übergang in den Faserleiter und in den Empfänger verträglich ist, ist es erforderlich, daß der Durchmesser des ausgesendeten Strahles oder aber des Blickfeldes des Empfängers, je nachdem welche der beiden Größen die kleinere ist, im Brennpunkt gleich dem Durchmesser des Faserkernes ist. Diese Größen bestimmen die effektive Brennweite der optischen Koppeleinrichtung.

909808/0937

Weiterhin ist es für minimale Verluste und maximale Wiederholbarkeit erwünscht, daß die gesamte lichte Weite des Senders in die optische Koppeleinrichtung eingeht, obwohl nur ein Seil der lichten Weite des Empfängers benötigt wird« Diese Betrachtungen bestimmen die Querschnittsgröße der optischen Koppeleinrichtungo

Bei dem einfachsten Fall einer optischen Koppeleinrichtung, nämlich der in Figo 1 dargestellten dicken Linse, müssen die Dicke der Linse und der Krümmungsradius der sphärischen Fläche bestimmt werden» Zu diesem Zweck ist die Anwendung eines Rechners mit einem Programm zweckmäßig, das in der Lage ist, optische Vielelement-Systeme zu optimieren. Bei einer Rechner-Analyse wird die Vielzahl interner Reflexionen an den beiden Flächen einer äquivalenten Anzahl getrennter reflektierender Oberflächen gleichgesetzt, was für die Analyse günstiger ist.

Außer einer Befriedigung der oben erwähnten Parameter ist es erforderlich, die Bystem-Abberation im Verhältnis zum Paserdurchmesser klein zu halten. Dies erfordert mehrere innere Reflexionen. Je größer die Anzahl der Reflexionen, um so kleiner ist die Abberation, weil di· Oberflächenkrümmung für eine gegebene äquivalente Brennweite kleiner wird. Dagegen nehmen mit der Zahl der Reflexionen die Verzerrungen, die auf Oberflächenfehler zurückzuführen sind, und die Reflexionsverluste

903808/0937

zu, ^in Computer ermöglicht auch die Berücksichtigung dieser Effekte=, Ist eine geeignete Anzahl von Reflexionen gewühlt 5 bildet die Verwendung eines Rechners zur Ermittlung der Linsendicke und der Flächenkrümmung· einen direkten

^in typisches Programm, das für die Linsenberechnung geeignet ist, iüt im Handel unter der Bezeichnung "Accos V" von der Firma "Scientific Calculation Inc" in Rochester₈ N₀Yo, V₀Ut₀Ao₅ erhältliche

Claims

Patentansprüche

Einrichtung zum Überprüfen der Betriebseigenschaften von Laser-Entfernungsmeßgeräten, die auf parallelen oder zusammenfallenden Pfaden kohärentes Licht aussendende bzw. empfangende Sende- und Empfangseinheiten umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß mit der üende- und der Empfangseinheit (10 bzw. 12) eine optische Verzögerungseinheit (31) mittels einer optischen Koppe!einrichtung (20) gekoppelt ist, die eine erste Fläche (18) und eine zur ersten Fläche (18) nichtparallele zweite Fläche (22) in solchen Stellungen aufweist, daß die erste Fläche (18) auf den genannten Wegen (11, 33) das von der üendeeinheit (10) emittierte Licht empfängt bzw_o Licht auf die Empfangseinheit (12) überträgt, während die zweite Fläche (22) eine Übertragung von Licht zu und von der Verzögerungseinheit (31) bewirkt ο

Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeleinrichtung (20) und die-Verzögerungseinheit (31) integrale Bestandteile des Laser-Entfernungsmeßgerätes sind,,

Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeleinrichtung (20) von einer einzigen Linse oder einem einzigen Prisma gebildet wird, dessen bzw. deren erste Fläche (18) eben ausgebildet und dessen bzw«, deren zweite Fläche (22)

909808/0937

gekrümmt ist und einen Brennpunkt (24) besitzt, in dessen Bereich von der ersten Fläche (18) empfangenes Licht auf die Verzögerungseinheit (31) und von der Verzögerungseinheit empfangenes Licht auf die erste Fläche (18) übertragen wird«

Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeleinrichtung (44) zusätzlich wenigstens dritte und vierte Flächen (48, 49) aufweist, von denen wenigstens die erste, zweite und dritte Fläche (18a, 22a, 48) lichtreflektierende Flächen sind_o

Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeleinrichtung (20) an der ersten Fläche (18) zwei Koppelstellen für ein Paar paralleler Strahlen aufweist, welche die Koppeleinrichtung (20) im Betrieb mit der Sende- bzw*· Empfangseinheit (10, 12) optisch verbindet.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppeleinrichtung (106) an der ersten Fläche (116) eine einzige Koppelstelle für den Eingangsstrahl und den Ausgangsstrahl aufweist, welche Strahlen im Betrieb den gleichen Pfad durchlaufen»

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungseinheit (31) einen optischen Vi/ellenleiter (28) umfaßt, von dessen Enden (26, 27) das eine mit der zweiten Fläche (18) .

909803/0937

der Koppeleinrichtung (20) und das andere mit einem Reflektor (30) optisch gekoppelt ist, der empfangene Energie in Richtung auf die zweite Fläche (18) zurückwirft O

8c Einrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die optische Länge des Wellenleiters (28) einer gewählten Meßentfernung entspricht_u

9« Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Reflektor (30) eine Lichtquelle (32) angeordnet und mit dem Reflektor optisch gekoppelt ist, die eine Bezugsmarke zur Ausrichtung des Entfernungsmeßgerätes und der Koppeleinrichtung bildet.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9i dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter von einem optischen Faserleiter gebildet wird.

909808/0937