DE2834821A1 - Einrichtung zum ueberpruefen der betriebseigenschaften von laser-entfernungsmessgeraeten - Google Patents
Einrichtung zum ueberpruefen der betriebseigenschaften von laser-entfernungsmessgeraetenInfo
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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
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.
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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
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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 bzwo 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«
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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,
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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
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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 22O 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
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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,,
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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
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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
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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 Lichtmengeo 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
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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 Figo 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,
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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 Figo 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
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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
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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 eintretens
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 betreibbaro
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
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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 zurückreflektierto 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
fokussierto 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 injizierts 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
augeführts das ©in für die aimulierte
Entfernung charakteristisches Ausgangsaignal erzeugt., Er
tritt dabei durch die gleiche Öffnung ein, aus welcher der
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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 Tatsacher 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
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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.
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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
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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 (1)
- PatentansprücheEinrichtung 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 bzwo Licht auf die Empfangseinheit (12) überträgt, während die zweite Fläche (22) eine Übertragung von Licht zu und von der Verzögerungseinheit (31) bewirkt οEinrichtung 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)909808/0937gekrümmt 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 sindoEinrichtung 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) .909803/0937der Koppeleinrichtung (20) und das andere mit einem Reflektor (30) optisch gekoppelt ist, der empfangene Energie in Richtung auf die zweite Fläche (18) zurückwirft O8c Einrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die optische Länge des Wellenleiters (28) einer gewählten Meßentfernung entsprichtu9« 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
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