JP4753341B2 - 光学的距離測定器 - Google Patents
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Description
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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