SE524655C2 - Elektronisk avstånds- och vinkelmätningsanordning - Google Patents

Description

20 25 30 I - - . . . . .- ° ' ~ O n n ~ 524 655 2 . ~ - o ~ . , tillhandahålla nödvändiga filter inom prismoma och därmed högre kostnader eftersom kostnaden för att framställa prismoma är höga.

I teknikens ståndpunkt ingår t ex. EP-1 081 459 och EP-0 987 517. I dessa kan diskussio- ner om problem hänfórande till användning av prismor återfinnas. I EP-O 987 517 t.ex. innefattar arrangemanget flera prismor i vilka två ljustrålar med olika våglängder separe- ras med användning av två dikroiska prismor. I EP-l 081 459 visas prismor, men även en dikroisk platta används för att separera lj usstrålar med olika våglängder; emellertid är denna plattan anordnad vinkelrätt mot instrumentets optiska axel, varvid sålunda ljuset reflekteras i den koaxiala riktningen och låter de andra våglängdema passera genom plattan.

Användning av prismor medför emellertid vissa problem. Nackdelar utgörs av det faktum att glaset förlänger den optiska vägen så att konstruktionslängden ökar, prismomas blir stora och prismoma är tunga. Kraven på parallellitet mellan prismomas ytor är mycket höga och att framställa ett dikroiskt filter inom glaset är svårare än att framställa detsam- ma på glaset mellan glaset och lufien. Allt detta medför att prismoma blir stora och dyra och att teleskopen blir större och tyngre. Mera avancerade prismakonstruktioner kan reducera konstruktionslängden men kostnadema ökar ytterligare for att tillhandahålla prismoma och den komplicerade konstruktionen som detta innebär. Därutöver gör pris- moma apparatema större och tyngre medförande ökad energikonsumtion t. ex vid mål- följning.

Exempel på våglängder som används för synligt ljus är i området 400 nm till 650 nm för kollimeringsändarnål. För avståndsmätning kan synligt ljus vid 660 nm eller IR vid 850 nm användas och för målfóljning IR-ljus vid 785 nm. Dessa våglängdsområden benämns allmänt kanaler av en speciell typ såsom visuell kanal, målföljningskanal etc. 10 15 20 25 30 »o n °': ' . . . . .- Q a » n . .. , CT! FO -P- Ch CF] L-l -.....: ---- .- b) UPPFINNINGEN Uppfinningen är avsedd att övervinna ovan nämnda problem medelst en lösning som är både enkel och billig.

Detta ändamål har uppnåtts medelst ett automatisk avstånds- och vinkelmätningsinstru- ment av det initialt definierade slaget i vilket snedställda dikroiska plattor är anordnade primärt på den optiska axeln som definieras av objektivlinsen och instrumentets hårkors, vilket enligt uppfinningen företrädesvis även sammanfaller med den optiska kanalen, dvs. den optiska vägen för synligt ljus som används man tittar på målet genom anordningen.

Sekundära speglar kan användas för att vika de optisk vägarna inom apparaten. Dessa sekundära speglar kan vara av dikroisk typ.

Att ersätta prismor för separation av de olika kanalema med plattor resulterar i enklare komponenter, enklare beläggningar och generellt kortare teleskoplängder. Som hänvisats till ovan i samband med användning av prismor separeras och/eller reflekteras kanalema genom prismat, varvid de inträder i prismat från luften genom en forsta yta och därefter utträder ur prismat till luften. Under denna process reflekteras ljuset (IR eller synligt) mot en andra prismayta och utträder därefter det ur prismat genom en tredje ytan på prismat eller så tillåts det att passera genom den andra ytan. Den resulterande optiska vägen i prismat kan antingen vara beroende på typen av prismamaterial som används eller i detta fall så kan den andra prismaytan uppvisa en dikroisk beläggning. Beroende på önskvärd- heten av kortare teleskoplängder kommer detta att öka prismomas komplexitet.

Enligt uppfinningen har prismoma ersatts av lutande dikroiska plattor och/eller speglar; emellertid, kan en prisma användas i en av de optiska vägarna. Detta resulterar i enklare komponenter, enklare beläggningar, lägre kostnader och kortare teleskoplängder som kommer att visas nedan.

Genom att använda de lutande dikroiska plattor är det möjligt att reflektera de olika ka- nalema i en riktning där den reflekterade strålen är icke-koaxial med den optiska huvud- 10 15 20 25 30 a u a Q . < , , _ _ . __ - - < . n . , ' 524 655 4 -a-.ÉZ .... .. axeln hos anordningen och därmed möjligöra placering av mottagare och sensorer intill en volym som den definieras av aperturen och den fokuserande linsen. Plattorna kommer emellertid att introducera optiska aberrationer i strålen som passerar genom plattan, t.ex. coma och astigmatism, eftersom plattoma av nödvändighet måste uppvisa en bestämd tjocklek för att vara stabila.

Dessa effekter kan kompenseras for på ett flertal sätt, vilket kommer att visas i de olika utforingsforrnerna nedan.

- Att utforma plattoma något kilformade kommer att kompensera for aberrationer from de lutade plattoma. Kilforrnsvinkeln måste väljas med avseende på lutningsvinkeln och plattans tjocklek. En i tekniken kunnig person kan med användning av ett optisk design program optimera kilfonnsvinkeln.

- En andra metod är att lägga till en tredje plan-parallell kompenserande platta som lutar runt en axel vinkelrät mot de första plattomas lutningsaxlar.

- Lutande av två plan-parallella plattor runt axlar som är vinkelräta mot varandra är ett tredje sätt a reducera aberrationema som införts på grund av lutningen.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Fig. la visar schematiskt en sidovy av en första utfóringsfonn enligt uppfinningen.

Fig. lb visar en detalj i Fig. la F ig. 2a visar schematiskt en sidovy av en andra utföringsforrn enligt uppfinningen.

Fig. 2b visar schematiskt en detalj i Fig. 2a avseende definitionen av “kilvinkel”.

Fig. 3 visar schematiskt en sidovy av en tredje utfóringsfonn enligt uppfinningen.

Fig. 4a visar schematiskt en sidovy av en fjärde utfóringsfonn enligt uppfinningen.

Fig. 4b visar schematiskt en detalj i Fig. 4 sett ovanifrån.

Fig. 5 visar schematiskt en sidovy av en femte utfóringsfonn enligt uppfinningen.

På ritningama betecknas motsvarande detaljer med motsvarande referensnummer. 10 15 20 25 . n - ø n . __ ~ » | . . ., 524 655 5 ...._; - - ~ » .- DETALJERAD BESKRIVNING AV EXEMPLIFIERANDE FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER.

Fig. 1 visar en första föredragen utföringsfonn av en anordningen enligt uppfinningen i vilken en objektivlins, 101a och 10lb, definierar en optisk axel OA. På denna axel ses en fokuserande lins och ett hårkors 105. Den fokuserande linsen 104 är flyttbar, vilket är känt för fackmannen, för fokusering av det inkommande ljuset på hårkorset. Avbildning- en kan ses genom ett okular 106. Intill objektivet och företrädesvis fástad vid insidan av linsen 101b är ett prisma 102 med en reflekterande yta 103 anordnat på den optiska axeln OA. Prismats 102 yta kan vara belagd med en dikroisk beläggning 103. Detta prismas uppgift är att reflektera de strukturerade strålama Ä, och 712 från två sändare 111 och 112, vilka utgör källor till strukturerat ljus, som t.ex. en laser eller en ljusemitterande diod (LED), varvid en transmitterad strålgång formas genom prismat 102, i vilken ljuset re- flekteras ut genom objektivlinsen 101 mot målet. Det visade prismat har fonnen av ett 45°-90°-45° prisma används som ett ”90°-prisma”, dvs. prismat böjer av strålen 90°.

Detta kräver att strålarna Äl och Ä; anländer samtidigt till den optiska axeln som är vin- kelrät mot nämnda axel. Denna uppställning förenklar geometrien. Emellertid är vinkel- rätheten inte nödvändigtvis en väsentlig del av uppfinningen.

Båda strålarna Ål and Ä; utträder ur objektivlinsen 101 som visas i figuren. För att åstad- komma detta har sändama anordnats så att strålarna M och k; var för sig reflekteras i respektive dikroiska speglar 113 och 114, direkt eller via en ljusledare, så att den sålunda reflekterade strålen, som faller mot speglama 113 och 114 formar en koaxial stråle som träffar prismat 102, dvs. strålen k] transmitterad från transmittem 111 reflekteras i spe- geln 113 och transmitteras genom spegeln 114, under det att strålen k; transmitterad från transmittem 112 reflekteras i spegeln 114 och sålunda formar en gemensam optisk strål- gång- Ljuset som reflekteras from målet når objektivlinsen i form av en stråle sammansatt av de transmitterade våglängderna och är normalt breddad så att den täcker objektivlinsens totala yta. Det skall framhållas att prismat 102 är litet i relation till objektivlinsens yta och 10 15 20 25 - ~ ~ . - 1 _ - n.. ..... ,, sålunda kommer att hindra en relativt liten dela av den sammansatta strålen X1, k; som reflekteras av målet.

Två dikroiska plattor 121, 122 är lutande anordnade i den reflekterade stålen på den optis- ka axeln OA mellan prismat 102 och hårkorset 105. ”Lutande” i detta samanhang skall förstås så att plattorna är anordnade så att de inte är vinkelräta mot den optiska axeln OA.

Delar av strålen som har våglängden Ä] reflekteras i den första lutande plattan 121 mot en spegel 131, vilken reflekterar strålen mot en detektor 141. På samma sätt tillåts den delen av strålen som har våglängden Ä; att passera genom den första plattan 121 mot den lutan- de plattan 122 där den reflekteras mot en andra spegel 132 vilken reflekterar strålen mot en detektor 142. Plattorna är lutande och inte vinkelräta mot strålen. Det är heller inte ett krav att speglama skall vara vinkelräta mot strålen som visas i figuren. Speglarna måste naturligtvis anordnas så att de avleder strålen i riktning mot mottagaren.

De två mottagarna l21,142 är anordnade utanför en strålgång 109 som den definieras av objektivlinsen.

I denna utfóringsfonn visas en ytterligare sändare 115 anordnad vinkelrätt mot den optis- ka axeln vilken kan avge ljus med våglängden X3. Denna kan användas för en tredje uppgift, exempelvis for en synlig stråle för att vara behjälplig vid inriktningen mot målet.

Lutningsvinkeln ot visas i Fig. lb, vilken visar en detalj av Fig. la. Lutningsvinkeln defi- nieras som vinkeln mellan plattornas normaler NI, N; och den optiska axeln OA.

De dikroiska ytoma 121a och 122a indikeras även.

Axeln runt vilken plattan lutar, dvs. axeln som betecknas med 150, definierar en lutnings- riktning som nedan kommer att visas vara av intresse. 10 15 20 25 n a ~ - ._ ~ - » . . ., - . . » ..

I Fig. 2a visas en andra utföringsformen enligt uppfinningen, varvid motsvarande hänvis- ningssiffror används För att indikera motsvarande detaljer. Linssystemet 201, prismat 202, den fokuserande linsen 204, hårkorset, 205, okularet 206 och den optiska axeln AO liknar varandra och tjänar väsentligen samma syften.

I denna andra utföringsform är sändaren 211, som sänder ljus med våglängden Kl, anord- nad som i den första utföringsformen. Den andra sändaren 212, som sänder ljus med våglängden X2, är anordnad på samma sätt som sändaren 115 i den först utföringsformen, varvid en dikroisk spegel blir överflödig.

Den optiska strålgången för M, ljuset som reflekterats från målet kommer väsentligen att vara detsamma som i den första utföringsformen via den dikroiska spegeln 221 och spe- geln 231 mot mottagaren 241. Vidare har lutningsvinkeln hos de dikroiska plattorna 221 och 222 ändrats så att det en gång reflekterade ljuset med våglängden k; riktas mot mott- agaren 242. Detta har åstadkommits genom att ändra avståndet mellan plattan 221 och/eller genom att förändra plattomas lutningsvinkeln för att tillåta att strålen k; som reflekteras i plattan 222 att nå mottagaren genom att väsentligen passera intill plattan 221, dvs. plattan 221 kommer inte att nå in i den reflekterad stålen från plattan 222. Figuren illustrerar även möjligheten att rikta strålen mot detektom utan en andra reflekterande spegel.

De dikroiska plattorna kan uppvisa en kilforrn för att kompensera för optiska aberrationer i den visuella kanalen. Detta illustreras i Fig. 2b där de två plattorn 221 och 222 visas och den optiska axeln OA är indikerad. Kilforrnen hos plattoma definierar en vinkel på 0 - 30 bågsekunder och kommer att kompensera för optiska aberrationer. Det skall tilläggas att denna typ av kompensation kan används även i utföringsforrnen enligt Fig.l. Kilformen skulle vidare kunna användas i andra utföringsformer ensamt eller i kombination med någon annan typ av kompensation För de optiska aberrationema som orsakas av plattoma. 10 15 20 25 30 5 FJ ~ v 0 nu: ~ g .. , r' j' _ . . . , _ ... .. .. .. ,,_ 4 . ._ _, . . . . _ , g ; - - . . . .. . L' lg j ) ... ,_.. __ _ . , _., . __ _ z , , __ ß ro ~ »- .... , , _ ^ I . u n a . .... ., v « - . , _ 8 I Fig. 3 visas en tredje utföringsfonn enligt uppfinningen där motsvarande referensbe- teckningar används för att indikera motsvarande detaljer. I denna utföringsforrn åstad- koms aberrationskompensationen medelst den kompenserade plattan 307. Linssystemet 301, prismat 302, den fokuserande linsen 304, hårkorset, 305, okularet 306 och den optis- ka axeln AO liknar varandra och tjänar samma syften.

I denna tredje utfóringsform är transmittem 311, som sänder ljus med våglängden k, och den andra transmittem 312 som sänder ljus med våglängden Ä; anordnade på samma sätt som i utfóringsformen 1 med användning av dikroiska speglar 313, 314 för att avböja ljuset mot prismat 302.

Den optiska strålgången för M, ljuset som reflekterads från målet kommer väsentligen att var densamma som i den första utföringsfonnen via de dikroiska speglama 321 och 331 mot mottagaren 341. Strålen X2 uppvisar väsentligen samma strålgång som i Fig.] reflek- terad i speglama 322 och 331 mot mottagaren 342.

I denna utfóringsform är en kompenserande platta 307 med en lutningsaxel orienterad i 90 ° med avseende på de andra plattomas lutningsaxlar införd for att kompensera för optiska aberrationer orsakade i den synliga kanalen eftersom det synliga ljuset måste passera genom plattorna 321 och 322.

I Fig. 4 visas en fjärde utföringsformen enligt uppfinningen, i vilken motsvarande siffer- beteckningar använts för att beteckna motsvarande detaljer. Linssystemet 401, prismat 402, den fokuserande linsen 404, hårkorset, 405, okularet 406 och den optiska axeln AO liknar varandra och tjänar samma syften.

I denna fjärde utföringsform är en första transmitter 411, som sänder ut ljus av vågläng- den kl anordnad vinkelrätt mot den optiska axeln OA och den andra transmittem 412 som sänder ut ljus med våglängden k; koaxialt anordnade med den optiska axeln med använd- ning av dikroisk spegel 414 för att avböja ljuset mot prismat 402. 10 15 20 25 30 ° ° I O I O . . . . .. 524 655 9 o - ; . u . ua..

Den optiska strålgången för strålen k; reflekteras av den dikroiska spegeln 422 i riktning- en mot en detektor 442, varvid plattans 422 lutningsaxel i detta fall är orienterad vinkelrät mot plattans 421 lutningsaxel. Detta utgör den tredje metoden för kompensering av optis- ka aberrationer.

Den optiska strålgången för Ä; för det ljus som reflekteras from målet kommer väsentli- gen att vara densamma som i den första utföringsformen via de dikroiska speglama 421 och 431 mot mottagaren 441. En del av strålen, ljus medvåglängden 1.1, reflekteras i den första lutande plattan 421 mot en ytterligare dikroisk platta 431 vilken reflekterar strålen mot en detektor 441. I denna utföringsformär den andra plattans 422 lutningsaxel väsent- ligen anordnad vinkelrätt mot den första plattans 421 lutningsaxel, därigenom kompense- rande för optiska aberrationer i den synliga kanalen från den första plattan.

En vy sedd ovanifrån (detalj ur Fig. 4a) visas i Fig. 4b. Axlama 451 och 450 runt vilka plattoma är lutade visas.

I Fig. 5 visas en femte utföringsform enligt uppfinningen, vari motsvarande beteckningar används för att indikera motsvarande detaljer. Linssystemet 501, prismat 502, den fokuse- rande linsen 504, hårkorset, 505, okularet 506 och den optiska axeln AO liknar varandra och tjänar samma syften.

Vidare visas i Fig. 5 en kombination av en dikroisk platta 521 och ett dikroisk prisma 522. Strålar med våglängdema M och k; utsänds från sändama 511 och 512. Den optiska strålgången för Ä] för ljuset som reflekteras från målet kommer i allt väsentli gt att vara den samma som i den första utföringsformen via de dikroiska speglama 521 och 531 mot mottagaren 541. I detta fall kan de optiska aberrationema kompenseras genom att göra plattan lätt kilformad om det behövs.

De utföringsformer som beskrivits skall förstås som exempel på utföringsformer enligt uppfinningen. Eftersom dikroiska plattor är relativt billiga jämför med komplicerad pris- 5 2 4 e 5 5 gi; f; "ff . f; _ "rf ~ - . . e. . . . . .n 10 masystem och också på grund av den relativa kompaktheten som kan åstadkommas enligt uppfinningen bidrar detta till en genomgående kompakt design med låg vikt av anord- ningar för målfóljning och avståndsmätning.

Claims (10)

10 15 20 25 655 524 - ~ » - -. . - Q . a. 11 PATENTKRAV

1. Elektronisk avstånds- och vinkelmätningsanordning, Lex. för mätning av avståndet från anordningen till ett föremål, innefattande: a) en objektivelins (101), vilken definierar en optisk axel (OA), b) åtminstone två källor (11 1,112) med strukturerat ljus för transmittering av strålar (Ählz) med separata våglängder mot nämnda föremål, varvid strålama vid reflektion från föremålet mottages av objektivlinsen (101), (c) åtminstone två mottagare (141,l42) anordnade utanför en strålgång (109), som defini- eras av objektivlinsen (101), och anpassade att mottaga nämnda strålar av strukturerat ljus, varvid optiska medel innefattande åtminstone två dikroiska ytor (l2la, l22a) var och en anordnad med en lutningsvinkel (al, az) med avseende på nämnda axel (OA) , varvid nämnda optiska axel (OA) passerar genom nämnda ytor, åtminstone en av dessa dikroiska ytor anordnade på en platta ( 121, 122), varvid nänmda åtminstone två dikroiska ytor (12la, l22a) är anpassade att reflektera åtminstone en av nämnda mottagna strukturerade ljusstrålar (Äbkz), mot mottagarna (121,l22)

2. Elektronisk avståndsmätningsanordning enligt krav 1, kännetecknad av att de dikroiska ytorna är var och anordnad på separata plattor (12 l ,122).

3. Elektronisk avståndsmätningsanordning enligt krav 1, kännetecknad av att en av de dikroiska ytorna är anordnad på en platta (621) och den andra av nämnda dikroiska ytor (622) är anordnad i ett prisma (625).

4. Elektronisk avståndsmåtningsanordning enligt krav 1, kännetecknad av att åtmin- stone två källor (11 1,1 12) med strukturerat ljus för transmittering av nämnda strålar (Åhh) är anpassade för att transmittera nämnda ljus mot ett ljusstrålarna omriktande medel (102) anordnat intilliggande objektivlinsen (101)

5. Elektronisk avståndsmätningsanordning enligt krav 4, kännetecknad av att det lj ustrålama omriktande medlet är ett ljusstrålama omriktande prisma (102).

6. Elektronisk avståndsmätningsanordning enligt krav 5, kännetecknad av att det ljusstrålarna omriktande prismat (102) är fast vid objektivlinsen (l01b). 10 15 - » ø - .- . - . . .- 12

7. Elektronisk avståndsmätningsanordning enligt krav 2 eller 3, kännetecknad av att åtminstone en spegel (131, 132) är anordnad intilliggande den optiska axeln (AO) För omriktande av åtminstone en av de mottagna strukturerade ljusstrålama (Åhh) reflekte- rade i nämnda dikroiska ytor (121a, 122a) mot nämnda mottagare (141, 142).

8. Elektronisk avståndsmätningsanordning enligt krav 2, kännetecknad av att närrmda dikroiska plattor är kilfonnade, for att tillhandahålla korrektion för aberrationsfel.

9. Elektronisk avståndsmätningsanordning enligt krav 2, kännetecknad av att en kompenserande platta (309) är inplacerad mellan den fokuserande linsen (304) och intill- liggande dikroiska platta (322), varvid lutningsriktningen hos den kompenserande plattan (307) och den dikroiska plattan är valda så att lutningsriktningama av de två plattoma är anordnade i en vinkel, som approximativt är 90° med avseende på varandra, varvid lut- ningsriktningen definieras av en axel i plattans plan runt vilken plattan roterats.

10. Elektronisk avståndsmätningsanordning enligt krav 2 kännetecknad av att två dikroiska plattor (521,522) är så anordnade att lutningsriktningen hos de dikroiska platt- oma, varvid lutningsriktningen definieras av en axel i plattans plan runt vilken respektive platta roteras med avseende på den optiska axeln, är så vald att lutningsriktningen av de två plattoma är anordnade att uppvisa en vinkel av approximativt 90° med avseende på varandra.