JP4753341B2 - 光学的距離測定器 - Google Patents

Description

【０００１】
技術領域
本発明は、例えば、土地及び建築物の測定時に使用されるような光学的距離測定器に関する。
【０００２】
従来技術
このような光学的距離測定器は、ずっと以前から公知である。しかし、光源として使用されるレーザダイオードは、放射端面で発生した光ビームが非常に長くて狭幅の横断面を有しているという欠点がある。これにより、目標照射が極めて劣悪となる。その理由は、光ビームの一部分しか、目標に入射せず、従って、到達距離が短くなり、測定精度が低下するからである。そのために、測定時に、目標を外したビーム部分の、他の、例えば、更に離隔した対物レンズでの反射によっても敏感に妨げられることがある。
【０００３】
発明についての説明
従って、本発明が基づく課題は、冒頭に記載したような公知の光学的距離測定器の場合よりも目標照射を一層改善した、冒頭に記載したような公知の光学的距離測定器を提供することである。
【０００４】
本発明により達成される利点は、特に到達距離を決定的に改善することができ、即ち、最大測定距離、又は、所定の到達距離で、測定精度を高めることができるという点にある。
【０００５】
図面の簡単な説明
以下、本発明について図示の実施例を用いて詳細に説明する。
【０００６】
その際、
図１ａは、本発明の距離測定器の発光器の側面略図、
図１ｂは、図１ａの発光器の平面図、
図３は、図１ａ，ｂの発光器の第１の偏向要素のビーム方向での平面図、
図４は、図１ａ，ｂの発光器の第２の偏向要素のビーム方向とは反対側の平面図、
図５は、図１ａ，ｂの発光器による目標照射を示す図
である。
【０００７】
本発明の実施例
本発明の光学的距離測定器は、発光器並びに受光器を有しており、発光器及び受光器は、例えば、公知のように光学系及びアバランシェ光ダイオードで構成することができ、並びに、同様に公知構成の電子制御及び評価ユニットを有しており、この電子制御及び評価ユニットにより、発光器による光パルスの発光が制御され、受光器の出力信号が評価される。伝搬時間測定又は位相比較方法によって距離測定することができる。
【０００８】
発光器は、コリメータ１、及び、レーザダイオード３とビーム形成光学系４とから構成された同様に設けられた光源２を有している。レーザダイオード３は、赤外領域、有利には、８５０ｎｍ〜９８０ｎｍの波長又は波長λ＝１５５０ｎｍで発光する端面発光部である。放射端面は、３０μｍ〜８００μｍの長さであり、幅は、１μｍ〜３μｍである。放射端面は、長手方向に分割されているようにしてもよい。例えば、レーザダイオード３の代わりに、例えば、５０μｍの端面長さの複数レーザダイオードをリニアに構成して、順次連続する各端面間の間隔を１００μｍにするとよい。１／２開角の正弦に相応する開口数は、０．１では、放射端面に対して平行であり、０．６〜０．７では、放射端面に対して横方向である。ＳＢＰ（space bandwidth product）として公知の両量の積は、放射端面に対して横方向には、波長とほぼ同じであり、従って、実際上単一モード（横モード０）であり、即ち、超過不可能な基本的な限界値の近傍であり、他方、放射端面に対して平行には、この限界値よりも係数１０〜１００だけ大きい。この方向でも、ＳＢＰは、例えば、レンズのような通常の光屈折要素によって変わらないが、しかし、光回折又は屈折に基づく要素を用いると、放射端面の極めて近傍で当該放射端面に対して平行に位置移動すること(Umlagerung)によって小さくなり、それに対して、放射端面に対して横方向には大きくなり、それにより、光ビームは一層強く集束される。
【０００９】
この目的に、ビーム形成光学系４が使われ、このビーム形成光学系は、直方体状の透明材料製の、有利には、ガラス製のブロック５を含み、このブロックの第１の端面はレーザダイオード３側であり、反対側の第２の端面は、コリメータ１側である。第１の端面は、プラスチック製の保持部６を有しており、この保持部により、シリンダレンズ７がその端領域で固定される。シリンダレンズ７の横断面は丸く、その直径は約６０μｍである。このシリンダレンズは、レーザダイオード３の放射端面に対して平行に配向されており、放射端面から約１０μｍだけ離隔している。シリンダレンズにより、放射端面から放射された光ビームが平行にされ、この光ビームは、使用されているようなレーザダイオードでは、約８０°の大きな放射角度を有するようになる。シリンダレンズの直径及びシリンダレンズと放射端面との間隔は、前述よりもかなり大きくしてもよいが、例えば、高々６５μｍ乃至高々１５μｍの小さな値では、端面の順次連続する領域からコヒーレントに放射される成分のオーバーラッピングは非常に僅かとなり、その結果、このオーバーラッピングによって生じる損失も低く保持される。
【００１０】
シリンダレンズ７の後ろ側には、保持部６と一体的な第１の偏向要素８が設けられており、この偏向要素は、ブロック５の第１の端面に対して平行に構造化された、ほぼ平坦な表面を形成している。この偏向要素は、放射端面に対して平行に順次連続する３つの領域９ａ，ｂ，ｃに分割され、これら３つの領域は、種々異なった階段状の回折構造を有している。ブロック５の反対側の第２の端面は、プラスチック製の第２の偏向要素１０を有しており、この第２の偏向要素は、第２の端面に対して平行に構造化された、ほぼ平坦な表面を有しており、この表面は、放射端面に対して横方向に順次連続する３つの領域１１ａ，ｂ，ｃに分割され、これら３つの領域は、同様に種々異なる階段状に回折構造を有している。
【００１１】
第１の偏向要素８の上側領域９ａの構造化は、当該第１の偏向要素８の上側領域９ａに入射する、放射端面の上側部分から放射される部分ビームを、第２の偏向要素１０の、ビーム方向で見て左側の領域１１ａに向け、この領域でビームは僅かに偏向され、その結果、ビームはコリメータ１に入射し、コリメータの開口の左側のほぼ１／３を充填する。正確に相応のようにして、第１の偏向要素８の下側領域９ｃは、当該第１の偏向要素８の下側領域９ｃに入射する、放射端面の下側部分から放射される部分ビームを、第２の偏向要素１０の、ビーム方向で見て右側の領域１１ｃに向け、この領域で、同様に正確に相応に偏向され、更にコリメータ１の開口の右側のほぼ１／３を充填する。コリメータの開口の真ん中の１／３は、放射端面の若干短い真ん中の部分から放射された部分ビームによって充填され、この部分ビームは、第１の偏向要素８乃至第２の偏向要素１０の構造化されていない真ん中の領域９ｂ及び１１ｂを偏向されずに通過する。
【００１２】
つまり、３つの部分ビームは、第１の偏向要素８によって、放射端面に対して横方向に見て相互に並んで第２の偏向要素１０に入射するように種々異なって偏向され、従って、これら３つの部分ビームの、放射端面の方向とビーム方向とによって形成される面上への投射は、ほぼ一致する。それから、３つの部分ビームは、第２の偏向要素１０によって種々異なって偏向されるが、この偏向は、あたかも部分ビームの各々が放射端面に対して平行な、コリメータ１の焦点面内の線から放射されているかのように、部分ビームがコリメータ１に入射し、又は、言い換えると、３つの部分ビームを後ろ向きに外挿して(rueckwaertige Extrapolation)各々そのような線となり、各部分ビームがコリメータ１の開口のほぼ１／３を充填するように、部分ビームがコリメータ１に入射するように行われる。放射端面の順次連続する３つの部分は、ほぼ正方形の領域に結像し、その際、この各部分は、遠隔照射領域内で重畳する（図５）。こうすることによって、目標を確実に優れて照射することができるようになる。
【００１３】
８５０ｎｍ〜９８０ｎｍの波長では、ビームは極めて狭幅に集束することができ、それにより、高い横方向分解能で距離を走査検出(Distanzrasterung)することができる。約１５５０ｎｍの波長も極めて有利である。その理由は、眼の安全性の観点で、約８ｍＪの許容可能な個別パルスエネルギの所定の上側限界が、６３０ｎｍ〜９８０ｎｍの波長の場合よりも約１６０００のファクタだけ高い。本発明により、ビームの集束が改善されたために可能となる、このファクタを少なくとも部分的に利用すると、到達距離を極めて著しく長くしたり、又は、所定の到達距離で、感度を高くすることができる。
【００１４】
保持部６及び保持部６と一体的な第１の偏向要素８並びに第２の偏向要素１０は、各々複製技術の１つで製造され（例えば、M.T.Gale: 'Replication' in H.P. Herzig (編): 'Micro-Optics', Taylor & Francis 1997, p.153-177 に記載されており、例えば、ローラのエッチング、又は、水晶製の成形型、加熱型押し加工、射出成型又は鋳込み成型（続いてＵＶ硬化される））、ブロック５と接着される。回折構造は、公知のコンピュータプログラムを用いて決めることができる。この複製方法により、多くの個数の部品をコスト上有利に製造することができる。保持部６も、この技術で製造することができるので、シリンダレンズ７を極めて精確に位置決めすることができるようになる。第１の偏向要素８に関するシリンダレンズ７の距離許容偏差は、数μｍである。半田付け技術と、ドイツ連邦共和国特許公開第１９７５１３５２号公報に記載されているような、アクティブな調整技術(aktiver Justage)を用いて、更にレーザダイオード３を、ビーム形成光学系４と結合する際に、レーザダイオード３とシリンダレンズ７との取り付け許容偏差が約０．５μｍであるようにすることができる。
【００１５】
既述の実施例の種々異なる変形実施例が可能である。つまり、シリンダレンズを接着剤を用いて直接レーザダイオードに取り付け固定してもよい。第１の偏向要素と第２の偏向要素とは、ガラス製にしてもよく、例えば、エッチング方式によって製造してもよい。第１の偏向要素と第２の偏向要素とは、それらを分離するブロック中に直接エッチングしてもよい。偏向要素の領域の数は、３つでなくて、２つ、４つ、又は、それ以上でもよい。ビーム形成光学系は、光屈折要素、例えば、プリズム及びパネルから製造してもよい。結局、特に６００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長、例えば、６３０ｎｍ〜９８０ｎｍ（上述の領域外）のレーザダイオードも使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ａは、本発明の距離測定器の発光器の側面略図、ｂは、ａの発光器の平面図
【図３】 図１ａ，ｂの発光器の第１の偏向要素のビーム方向での平面図
【図４】 図１ａ，ｂの発光器の第２の偏向要素のビーム方向とは反対側の平面図
【図５】 図１ａ，ｂの発光器による目標照射を示す図
【符号の説明】
１ コリメータ
２ 光源
３ レーザダイオード
４ ビーム形成光学系
５ ブロック
６ 保持部
７ シリンダレンズ
８ 第１の偏向要素
９ａ，ｂ，ｃ 領域
１０ 第２の偏向要素
１１ａ，ｂ，ｃ 領域

Claims (15)

1. 目標照射用の少なくとも１つの光源（２）と、コリメータ（１）とを有する光学式の距離測定器であって、該コリメータは、距離測定器から放射されたビームを目標照射の前で視準し、前記光源は、前記コリメータ（１）の前側に設けられており、端面発光部として構成された唯一のレーザダイオード（３）並びに受光器及び制御及び評価ユニットを有する光学式の距離測定器において、
   光源（２）は、レーザダイオード（３）の後ろに設けられていて、コリメータ（１）を少なくとも大部分照射するビーム形成光学系（４）を有しており、前記ビーム形成光学系（４）は、前記レーザダイオード（３）の放射端面の順次連続する各部分から放射された部分ビームを相互に平行にずらして、各放射端面及びビーム方向によって形成される面上に、当該部分ビームの各投射面が少なくともほぼ重畳するように構成されており、
   前記ビーム形成光学系（４）は、光の回折又は光の屈折に基づく第１の偏向要素（８）及び光の回折又は光の屈折に基づく第２の偏向要素（１０）を有しており、前記第１の偏向要素（８）及び前記第２の偏向要素（１０）は、各々１つの実質的に平坦な、構造化された部分がある表面を有しており、前記構造化された部分は、少なくとも３つの領域（９ａ，９ｂ，９ｃ，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）に分割されており、
   前記第１の偏向要素（８）は、部分ビームを放射端面に対して横方向並びに当該放射端面に対して平行に、ほぼ相互に並んで前記第２の偏向要素（１０）に入射するように種々異なって偏向され、当該第２の偏向要素（１０）は、部分ビームを、当該部分ビームがコリメータ（１）の焦点面内の一線から出たかの如く配向することを特徴とする光学式の距離測定器。
2. レーザダイオード（３）は、８５０ｎｍ〜９８０ｎｍの波長の光を放射する請求項１記載の光学式の距離測定器。
3. レーザダイオード（３）は、１５５０ｎｍの波長の光を放射する請求項１記載の光学式の距離測定器。
4. ビーム形成光学系（４）は、レーザダイオード（３）に直ぐ続くシリンダレンズ（７）を有しており、該シリンダレンズの光軸は、レーザダイオード（３）の放射端面に対して平行である請求項１から３迄の何れか１記載の光学式の距離測定器。
5. シリンダレンズ（７）の直径は６５μｍ以下である請求項４記載の光学式の距離測定器。
6. 放射端面とシリンダレンズ（７）との間隔は１５μｍ以下である請求項４又は５記載の光学式の距離測定器。
7. 第１の偏向要素（８）の複数の領域（９ａ，９ｂ，９ｃ）は、放射端面に対して平行に配向されていて、種々の回折構造を持っており、第２の偏向要素（１０）の各領域（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）の個数は、前記第１の偏向要素（８）の複数の領域（９ａ，９ｂ，９ｃ）の個数に相応しており、前記第２の偏向要素（１０）の前記各領域（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）は、種々異なる回折構造を有している請求項１から６迄の何れか１記載の光学式の距離測定器。
8. ビーム形成光学系（４）は、透明部材製のブロック（５）を有しており、該ブロックは、第１の偏向要素（８）が取り付けられた第１の端面と、第２の偏向要素（１０）が取り付けられた反対側の第２の端面とを有している請求項１から７迄の何れか１記載の光学式の距離測定器。
9. 第１の偏向要素（８）及び第２の偏向要素（１０）は、プラスチック製である請求項１から８迄の何れか１記載の光学式の距離測定器。
10. シリンダレンズ（７）は、保持部（６）に取り付け固定されており、該保持部は、ブロック（５）の第１の端面に取り付けられている請求項８又は９記載の光学式の距離測定器。
11. 第１の偏向要素（８）は、保持部（６）と一体的に形成されている請求項１０記載の光学式の距離測定器。
12. レーザダイオード（３）は、半田付けによる結合を用いてブロック（５）に取り付けられている請求項１０又は１１記載の光学式の距離測定器。
13. シリンダレンズ（７）は、接着剤を用いてレーザダイオード（３）に取り付けられている請求項４から９迄の何れか１記載の光学式の距離測定器。
14. ビーム形成光学系（４）は、各部分ビームが遠隔照射領域内で重畳するように構成されている請求項１から１３迄の何れか１記載の光学式の距離測定器。
15. ビーム形成光学系（４）は、各部分ビームが遠隔照射領域内でほぼ正方形の領域に結像するように構成されている請求項１から１４迄の何れか１記載の光学式の距離測定器。

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