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Elektro-optisches Entfernungsmeßgerät Gegenstand der vorliegenden
Erfindung ist eine Einrichtung zur elektro-optischen Entfernungsmessung unter Verwendung
eines die zu ermittelnde Entfernung durchlaufenden vorzugsweise sinusförmig amplitudenmodulierten
Lichtsignals, bei der aus der Phasendifferenz des vom Sender emittierten und des
von einem Empfänger empfangenen Signals auf die vom Signal durchlaufene Strecke
geschlossen wird und bei der Mittel zur sender- und/oder empfängerseitigen Beeinflussung
der Phasenlage des gesendeten und/oder empfangenen Signals vorgesehen sind.
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Die derart gekennzeichneten Geräte ziehen wie alle übrigen Geräte
dieser Art die endliche Laufzeit elektromagnetischer Wellen zur Entfernungsmessung
heran, wobei es bei elektro-optischen Meßeinrichtungen als zweckmäßig angesehen
wird, die Laufzeitbestimmung der Welle auf einen Vergleich der Phasenlage des gesendeten
mit der Phasenlage des empfangenen Signals zurückzuführen. Aus diesem Grunde wird
der zur Messung benutzte Lichtstrom im allgemeinen einer reinen Amplitudenmodulation
unterworfen, und es tritt die Aufgabe auf, die Phase des Meß- mit der des Vergleichssignals
messend zu vergleichen.
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Es sind zahlreiche Vorschläge gemacht worden, um diesen Vergleich
bei den üblicherweise in elektrooptischen Entfernungsmeßeinrichtungen verwendeten
Modulationsfrequenzen zu erleichtern bzw. überhaupt mit der erforderlichen Genauigkeit
zu ermöglichen.
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Bei präzisen Meßgeräten dieser Art, also z. B. bei solchen, die für
geodätische Vermessungszwecke Ver wendung finden sollen, liegt der zulässige Phasenmeßfehler
für den Fall, daß Modulationsfrequenzen von etwa 10 MHz verwendet werden, in der
Größen ordnung einiger Winkelminuten. Durch Erhöhung der Modulationsfrequenzen lassen
sich zwar diese An forderungen verringern, jedoch muß man bei einem solchen Vorgehen
andere Schwierigkeiten in bezug auf die Modulation des Lichtstromes in Kauf nehmen,
so daß es angebracht erscheint, nach Möglichkeiten zu suchen, die auch bei niederen
Modulationsfrequenzen einen präzisen Phasenvergleich gestatten. Es sind aus diesem
Grunde Möglichkeiten erörtert worden, um den Lichtstrom nicht - wie üblich - sinusförmig
zu modulieren, sondern impulsförmig, um somit zu einer weniger kritischen Phasenindikation
zu gelangen.
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Es zeigte sich jedoch, daß für elektro-optische Entfernungsmeßgeräte,
die zur Triangulation herangezogen werden sollen, ein derartiges Vorgehen zu einem
untragbaren Aufwand führt; denn die z. B. bei Verwendung von Kerrzellenmodulatoren
zur Impulsmodulation notwendigen Maßnahmen und Vorrichtungen würden die äußeren
Abmessungen des Gerätes
und weiterhin dessen Betriebssicherheit in ungünstiger Weise
beeinflussen. Es sind zwar im Zusammenhang mit dem Problem der fotografischen Kurzzeitverschlüsse
Kerrzellenanordnungen bekanntgeworden, die eine gute rechteckförmige Impulsmodulation
des Lichtstromes zulassen; jedoch lassen sie sich nicht ohne Weiterungen zur periodischen
Modulation eines Lichtstromes mit einer den Bedürfnissen entsprechenden Impulsfolgefrequenz
verwenden. Bei den übrigen Lichtmodulatoren, die in elektro-optischen Entfernungsmessern
verwendet werden können, liegen die Verhältnisse ähnlich.
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Zur Behebung dieser Schwierigkeiten wird erfindungsgemäß eine Einrichtung
zur elektro-optischen Entfernungsmessung unter Verwendung eines die zu ermittelnde
Entfernung durchlaufenden, vorzugsweise sinusförmig amplitudenmodulierten Lichtsignals
vorgeschlagen, bei der durch Vergleich der Phasenwinkel des gesendeten und des empfangenen
Signals auf die vom Signal durchlaufene Strecke geschlossen wird und bei der Mittel
zur sender-und/oder empfängerseitigen Beeinflussung der Phasenlage des gesendeten
und/oder empfangenen Signals vorgesehen sind, die sich dadurch kennzeichnet, daß
Mittel zur Umwandlung sowohl des empfangenen als auch des Vergleichssignals in Impulsfolgen
vorgesehen sind. Nach der Erfindung werden beide Signale vorzugsweise in Impulsfolgen
gleicher Impulsfolgefrequenz umgewandelt.
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Zur näheren Erläuterung des Erfindungsvorschlages sei auf das in
der Zeichnung schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel verwiesen, dem in Verbindung
mit dem Beschreibungstext weitere Erfindungsmerkmale entnommen werden können.
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Es bezeichnet 1 eine Lichtquelle, z. B. eine Quecksilberlampe, deren
Lichtstrom der Modulationseinrichtung 2 zugeführt wird. Es kann sich dabei prinzipiell
um jeden der heute bei elektro-optischen
Entfernungsmeßgeräten verwendeten
Lichtmodulatoren, also z. B. um eine Kerrzelle, um einen den Faradayeffekt ausnutzenden
Modulator oder um einen Modulator, bei dem der Effekt der elektrooptischen Doppelbrechung
an Kristallen, z. B. an Kaliumphosphat, Ammoniumphosphat oder anderen geeigneten
Substanzen ausgenutzt wird, handeln.
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Infolge der angedeuteten Schwierigkeiten erfolgt die Modulation des
Lichtstromes sinusförmig. Das so modulierte Signal läuft über die zu ermittelnde
Entfernung E, wird dort an einem Reflektor 3 reflektiert und nach der Reflexion
mittels des Empfängers 4 empfangen. Der einfachen Darstellung wegen ist der reflektierende
Wellenzug hinter dem Reflektor 3 weiter gezeichnet.
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Zum Empfang des modulierten Lichtsignals dient im Empfänger 4 ein
Sekundärelektronenvervielfacher.
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Das mit Hilfe dieses lichtempfindlichen Elementes demodulierte Lichtsignal,
d. h. die aus diesem Vorgang resultierende sinusförmige Spannung, wird nach dem
Erfindungsvorschlag der Impulsformerstufe 7 zugeführt. Weiter ist mit 5 ein Oszillator
bezeichnet, dem sowohl die am Modulator 2 zur Modulation erforderliche als auch
die zum Phasenvergleich dienende Spannung entnommen wird. Die Vergleichsspannung
wird ihrerseits der Impulsformerstufe 6 zugeführt. Unter Verwendung von an sich
bekannten elektronischen Impulsformerschaltungen werden die sinusförmigen Spannungen
in Impulse vorzugsweise gleicher Folgefrequenz geeignet hoher Flankensteilheit umgewandelt
und im vorliegenden Ausführungsbeispiel einer Koinzidenzmeßanordnung 8, 9 zugeführt.
Diese Anordnung spricht nur beim gleichzeitigen Auftreten der beiden Eingangsimpulse
an und eignet sich damit bei geeigneter Ausbildung der Impulsformerstufen zum Nachweis
einer bestimmten ausgezeichneten Phasendifferenz zwischen dem über die zu ermittelnde
Entfernung gelaufenen Meßsignal und dem Vergleichssignal.
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Sender, Empfänger und Phasenvergleichseinrichtung bilden im allgemeinen
eine bauliche Einheit.
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Es ist einzusehen, daß bei geeigneter Ausbildung des Senders bzw.
des Empfängers, d. h. also für den Fall, daß etwa die Frequenz des Oszillators 5
stetig variierbar ist, zwischen dem gesendeten und dem empfangenen Signal ausgezeichnete
Phasendifferenzen herstellbar sind, so daß aus der Kenntnis der Modulationsfrequenzen
und dem exakten Nachweis ausgezeichneter Phasendifferenzen in bekannter Weise auf
die vom Signal durchlaufene Strecke geschlossen werden kann.
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Es ist zur Ausführung des Erfindungsvorschlages andererseits jedoch
nicht erforderlich, daß der Oszillator 5 variabel ausgebildet wird; vielmehr ist
vorteilhaft die Verwendung einer oder mehrerer diskreter Modulationsfrequenzen möglich.
Um für diesen Fall die erforderlichen ausgezeichneten Phasendifferenzen zwischen
den beiden zu vergleichenden Signalen herzustellen, kann man nun in an sich bekannter
bzw. bereits vorgeschlagener Weise so verfahren, daß Mittel zur meßbaren Phasenverschiebung
des gesendeten und/oder des empfangenen Signals auf der Sender- und/oder der Empfängerseite
der Einrichtung vorgesehen werden. Im besonderen ist es vorteilhaft, im Strahlengang
des von der Einrichtung emittierten bzw. empfangenen Lichtstromes eine optische
Laufzeitstrecke in Form einer variablen Lichtschleife meßbar veränderlicher Länge
zur Herstellung der I(oinzidenz der beiden Impulsreihen vorzusehen;
Es ist mit der
vorgeschlagenen Einrichtung prinzipiell möglich, nach allen aus der Technik der
Impulsentfernungsmeßgeräte, d. h. jener Geräte, bei denen von vornherein eine impulsförmig
modulierte Welle vorliegt, her bekannten Verfahren, zur Be stimmung der Entfernung
vorzugehen. So ist also unter anderem auch möglich, beide Impulsreihen zeitabhängig
auf dem Schirm einer Braunschen Röhre aufzuzeichnen. Für elektro-optische Entfernungsmeßgeräte,
die präzisen geodätischen Vermessungszwecken dienen sollen, ist jedoch die Ausführung
des Erfindungsvorschlages zweckmäßig an eine elektronische Koinzidenznachweisschaltung,
in der also der Nachweis einer bestimmten Phasendifferenz zwischen den beiden sinusförmigen
Spannungen durch den Nachweis der Gleichzeitigkeit zweier entsprechender Impulsreihen
ersetzt ist, gebunden.
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Im erläuterten Ausführungsbeispiel bezeichnet 8 eine solche Anordnung,
die z. B. durch eine Schaltung realisiert werden kann, die nur dann einen Koinzidenzimpuls
liefert, wenn ihr gleichzeitig zwei Eingangsimpulse zugeführt werden. Die Anordnung
spricht nicht an, wenn die beiden Eingangsimpulse zeitlich nicht koinzidieren.
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Der Nachweis der resultierenden Koinzidenzimpulsfolge kann z. B.
mittels eines Frequenzmessers, einer Zählschaltung oder durch Integration und Messung
des zeitlichen Spannungsmittelwertes erfolgen.
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Durch Verwendung an sich bekannter Schaltanordnungen ist es also
nach der Erfindung auf dem zunächst als umständlich erscheinenden Wege der späteren
Impulsbildung möglich, unter Beibehaltung der bisherigen Modulationsmittel einen
den Anforderungen entsprechenden Phasenvergleich durchzuführen, gleichzeitig werden
die Nachteile der bisher verwendeten elektrischen Phasenmeßanordnungen vermieden,
die sich aus der nicht vollkommen beseitigbaren frequenzabhängigen Arbeitsweise
der Indikatoren ergeben; denn ein nach dem Erfindungsvorschlag ausgebildeter elektro-optischer
Entfernungsmesser hat offenbar gegenüber solchen Geräten, die mit rein sinusförmigen
Spannungen in der Phasenvergleichseinrichtung arbeiten, den Vorzug, daß z. B. bei
einer Koinzidenzmessung der Meßvorgang vollkommen unabhängig von der dem Lichtstrom
aufgeprägten Modulationsfrequenz ist.
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Sinngemäß läßt sich der Erfindungsvorschlag auch bei Entfernungsmeßgeräten
anwenden, die elektromagnetische Wellen nicht optischer Natur zur Entfernungsmessung
heranziehen.
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PATENTANSPR8CHE 1. Einrichtung zur elektro-optischen Entfernungsmessung
unter Verwendung eines die zu ermittelnde Entfernung durchlaufenden vorzugsweise
sinusförmig amplitudenmodulierten Lichtsignals, bei der aus der Phasendifferenz
des von einem Sender emittierten und des von einem Empfänger empfangenen Signals
auf die vom Signal durchlaufene Strecke geschlossen wird und bei der sender- und/oder
empfängerseitig der Phasenwinkel des gesendeten und/oder des empfangenen Signals
beeinflußbar ist, gekennzeichnet durch Mittel zur Umwandlung sowohl des empfangenen
Signals als auch des Vergleichssignals in Impulsfolgen.