DE3927157C1 - Pulse laser range finder - has mechanical-optical Q=switch resolving separate pulses or pulse series combining by collimating lens and reflector - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Pulslaser-Entfernungsmesser hoher Auflösung mit mechanisch-optischem Güteschalter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der Literatur "Laser"-Grundlagen-Technik-Basisanwendungen - von Tradowsky, 4. Auflage, Seiten 96-99, ist es bekannt, Lichtimpulse mit hoher Flankensteilheit mittels aktiver elektrooptischer Güteschalter - sogenannte Q-Switch, wie Pockels-Zellen oder Kerr-Zellen - zu erhalten oder hierfür passive, rein optische Schwellschalter mit sättigbarem Absorber zu verwenden. Hierbei erfordern jedoch die aktiven Ausführungs­ formen einen sehr hohen Aufwand und Platzbedarf, insbesondere in bezug auf die komplizierte Ansteuerung mit Hochspannung. Deshalb ist man all­ gemein darauf übergegangen, passive Güteschalter einzusetzen. Diese gilt es aber nicht für alle interessierenden Wellenlängenbereiche, so bei­ spielsweise fehlen sie für bestimmte augensichere Bereiche um 1,5 µm. Tradowsky schlägt hierfür vor, Drehspiegel als Güteschalter zu verwen­ den. Nun sind aber die hierfür genannten Impuls-Anstiegszeiten sehr viel länger als erwünscht. Auch handelt es sich bei diesem Vorschlag um die Auslösung von Impulsfolgen, wobei die Auslösung von Einzelimpulsen zwar möglich ist, aber dann nur mit äußerst aufwendigen Synchronisationsmaß­ nahmen.

Für Pulslaser-Entfernungsmesser hoher Auflösung mit mechanisch-optischem Güteschalter verwendet der Stand der Technik zur Ansteuerung des Funktionsablaufes einen ständig umlaufenden Drehspiegel. Hier ist zur Einleitung der Entladung der Pumplichtquelle ein Kontakt oder eine Lichtschranke in einer gegebenen Winkellage der Drehspiegel-Achse vorgesehen. Der bis zur strahlparallelen Lage weiterdrehende Drehspiegel bildet eine konstante Zeitverzögerung, welche zur vollen Ausbildung des Pumplichtblitzes und zum Pumpen ausreichen muß. Dies erfordert, daß die Winkellage des Schalters oder der Lichtschranke und die Drehzahl des Drehspiegels sehr genau auf die Blitzlampe abgestimmt werden müssen, um überhaupt den optimalen Bereich des Pumplichtblitzes auszunützen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laser-Entfernungsmesser mit Güteschalter der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine sehr schnelle Güteänderung des Resonators und auch die Verwendung extrem schnell ansprechender Blenden als Lichtschalter gewährleistet und außerdem eine erhöhte Meßgenauigkeit auch bei Laser-Entfernungsmesser erbringt, bei welchen elektro-optische Güteschalter und passive optische Güteschalter sonst nicht anwendbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst.

In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert sowie in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schemaskizze einer Ausführungsform mit einer Sammellinse und einem konfokalen Hohlspiegel,

Fig. 2 eine Schemaskizze einer Ausführungsform mit konfokalen Linsen und Planspiegel,

Fig. 3 eine Schemaskizze einer erweiterten Ausführungsform mit einer Sammellinse und einem konfokalen Hohlspiegel sowie mit einem Schnellverschluß,

Fig. 4 eine Schemaskizze einer erweiterten Ausführungsform mit einem schnellen Lichtschalter und Auslösung durch integrierten Pumplicht-Impuls.

Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines mechanisch-optischen Güteschalters in einem Pulslaser-Entfernungsmesser, wobei es sich hier nicht nur um einen Einzelpulslaser sondern auch um einen Mehrfach-Impulslaser handeln kann. Vorweg sei in dieser Beziehung darauf hingewiesen, daß im letzten Falle - also bei Verwendung eines Mehrfach-Impulslasers - die dargestellte rotierende Schlitzblende 14 mehrere radiale Schlitze 14a aufweist. Zum kontinuierlichen Antrieb der Schlitzblende 14 ist ein Aufzugsmotor 18 angeordnet, der beispielsweise mit einer Speicherfeder 18a kombiniert ist. In dem skizzierten Ausführungsbeispiel ist die Rotationswelle des Aufzugsmotors 18 mit einem Auslösemechanismus 100 versehen. Der Reflektorspiegel 11 des Lasers 10 ist in dessen Resonator stationär angeordnet und selbstfokussierend ausgebildet, d. h. er ist als Hohlspiegel 11a oder als Planspiegel 11b mit vorgeschalteter Sammellinse 11c (Fig. 2) konzipiert. Dadurch wird erreicht, daß von einem Punkt ausgehende Strahlen wieder in diesen Punkt reflektiert werden.

Zwischen dem Laserkristall 10a und dem Reflektorspiegel 11 ist eine Fokussierlinse 12 angeordnet, welche den Parallelstrahl des Laserkristalls 10a auf den symmetrischen Strahlungs-Schnittpunkt des Reflektors konzentriert. Untersuchungen haben ergeben, daß eine Punktfokussierung realisierbar ist, wobei eine asphärische Formgebung der brechenden Flächen sich als besonders vorteilhaft erweist, weil sie eine einfache Korrektur der Zonenfehler ermöglicht. Eine chromatische Korrektur ist hier nicht erforderlich, da der Laser bekanntlich eine monochrome Strahlung abgibt.

In dem so erzeugten gemeinsamen Strahlungsschnittpunkt 13 wird nun eine rotierende Schlitzblende 14 angeordnet, die den ganzen Strahl in sehr kurzer Zeit freigeben kann, was eine hohe Entfernungsauflösung gewährleistet. Durch diese Konzipierung wird es ermöglicht, anstelle eines frei umlaufenden Spiegels mit seiner sehr schwierigen Synchronisierung eine nur einmal durchlaufende bzw. umlaufende Schlitzblende zu verwenden, deren Synchronisierung leicht zu bewerkstelligen ist, beispielsweise in der Art, wie sie bei den Blitzsynchronisationseinrichtungen von Fotokameras vorgefunden werden. Hier kann auch die Technik des Verschlußaufzugs entnommen werden.

Die vorbeschriebene Bündelung des Strahlenganges auf einen Punkt innerhalb des Laser-Resonators erlaubt nicht nur eine sehr schnelle Güteänderung des Resonators, sondern auch die Verwendung extrem schnell ansprechender Lichtschalter, weil es sich hier um sehr kleine und massearme Blenden handelt. Ein solcher Lichtschalter ermöglicht weiterhin eine viel vorteilhaftere Reihenfolge der Ansteuerung des Funktionsablaufes als alle bisher bekannten Ausführungsformen, die mit einem ständig umlaufenden Drehspiegel operieren.

Wie bereits ausgeführt, ist die Schlitzblende je nach der zutreffenden Impulsart - also Einzelimpuls oder Impulsfolgen - mit einem oder mehreren radialen Schlitzen versehen. Hierbei wird eine Schlitzbreite im Bereich von 10 µm vorgeschlagen. Beim Mehrfachimpuls-Laser mit kontinuierlich angetriebener Schlitzblende 14 bzw. 24 mit ihren mehreren Schlitzen ergibt sich der Vorteil, daß das Signal/Rauschverhältnis um einen Faktor verbessert ist, der der Quadratwurzel aus der Impulszahl entspricht. Dazu genügt es, ein einziges Zeittor jeweils mit den Vorderkanten der ausgesandten Impulse zu öffnen und mit den Vorderkanten der empfangenen Impulse zu schließen, und hierzu die in die Öffnungszeiten fallenden Taktimpulse fortlaufend zu zählen oder aufzusummieren. Ist die Zahl der Sendeimpulse je Pumplichtblitz variabel, so ist die Summe der Taktimpulse noch durch diese Zahl zu dividieren. Durch den entsprechend beschriebenen Güteschalter kann die Energie des Pumplicht-Impulses aus der Blitzlampe viel besser genutzt werden, als mit einem Einzelimpuls des Lasers.

Bei zehn Impulsen je Blitz ergibt sich immerhin ein etwa um den Faktor 3 besseres Signal/Rauschverhältnis.

Durch so einen sehr schnell ansprechenden Güteschalter kann der Pumplichtblitz direkt ausgelöst werden und darauf nach einer sehr geringen Zeitverzögerung der schnelle Güteschalter selbst. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist in der Fig. 3 skizziert. Eine Spannungsquelle 15 mit Schalter 15a zündet die Pumplicht-Blitzlampe 10b in deren Stromkreis zum Güteschalter, der als Schnellverschluß 100a mit Betätigungseinrichtung 24b und Schlitzblende 24 konzipiert ist, eine Zeitverzögerungseinrichtung 16 liegt, die diesen Güteschalter nach einer sehr kurzen Zeitverzögerung aktiviert.

In der Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel skizziert, bei dem der Güteschalter durch eine Photozelle 17 mit nachgeschaltetem Integrator genau dann ausgelöst wird, wenn die von der Pumplichtquelle 10b an den Laser 10 abgegebene Lichtenergie für den Riesenimpuls des Lasers ausreicht. Eine Voraussetzung für diese Funktionsweise ist neben der Konzentration des Strahlenganges auf einen Punkt innerhalb des Resonators auch noch die Verfügbarkeit eines sehr schnellen Güte- bzw. Lichtschalters, wie er durch die vorliegende Konzeption gegeben ist, der dafür aber auch eine sehr kleine Abdeckfläche haben darf, also als Miniaturblende anzusprechen ist.

Für den erfindungsgemäßen Pulslaser-Entfernungsmesser läßt sich ein noch schnellerer Güteschalter verwenden, der als Lichtunterbrecher aus einer sehr engen mit opaker oder spiegelnder Flüssigkeit gefüllten Küvette besteht, die mit Elektroden an der engsten Stelle des konzentrierten Strahlenganges versehen ist. Hierbei bildet ein schneller Stromstoß über die Elektroden eine transparente Dampfblase, die nach kurzer Zeit wieder zusammenfällt. Diese Art eines Unterbrechers wird durch den sehr engen Strahlquerschnitt an der Unterbrechungsstelle ermöglicht.

Claims (10)

1. Pulslaser-Entfernungsmesser hoher Auflösung mit mechanisch-optischem Güteschalter zur Auslösung von Impulsfolgen oder Einzelimpulsen, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektorspiegel (11) des Pulslasers (10) stationär in dessen Resonator angeordnet und mittels einer Fokussierlinse (12) selbstfokussierend ausgebildet ist und im Strahlenschnittpunkt (13) zwischen Laserkristall (10a) und Reflektorspiegel (11) eine bewegte Schlitzblende (14) als Lichtschalter angeordnet ist.

2. Pulslaser-Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektorspiegel (11) als konfokaler Hohlspiegel (11a) ausgebildet ist, dem die Fokussierlinse (12) in einem bestimmten Abstand zwischen ihm (11a) und dem Laserkristall (10a) zugeordnet ist.

3. Pulslaser-Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektorspiegel (11) als vollreflektierender Planspiegel (11b) mit vorgeschalteter Sammellinse (11c) ausgebildet ist, denen in einem bestimmten Abstand zwischen letzterer und dem Laserkristall (10a) die Fokussierlinse (12) zugeordnet ist.

4. Pulslaser-Entfernungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Auslösung von Impulsfolgen die bewegte Schlitzblende (14) als rotierende Schlitzscheibe mit mehreren radialen Schlitzen (14a) ausgebildet ist, wobei ein einziges Zeittor der Schaltelektronik jeweils mit den Vorderkanten der ausgesendeten Impulse geöffnet und mit den Vorderkanten der empfangenen Impulse geschlossen wird und die in die Öffnungszeiten fallenden Impulse fortlaufend gezählt oder aufsummiert werden.

5. Pulslaser-Entfernungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die brechenden Flächen der Fokussierlinse (12) asphärisch ausgebildet sind.

6. Pulslaser-Entfernungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzblende als nur einmal durchlaufender Schlitzverschluß (24) mit Lichtblitzsynchronisation (24b) ausgebildet ist.

7. Pulslaser-Entfernungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzbreite in der Schlitzblende (14, 24) im Bereich von 10 µm liegt.

8. Pulslaser-Entfernungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumplichtquelle (10b) zur Direktauslösung des Lichtblitzes eine Spannungsquelle (15) mit Schalter (15a) und zur Betätigung des Auslösemechanismus (100) oder des Schnellverschlusses (100a) eine Zeitverzögerungseinrichtung (16) zugeordnet ist.

9. Pulslaser-Entfernungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schnellverschluß (100a) zu seiner Auslösung eine Einheit (17) bestehend aus einer Photodiode mit nachgeschaltetem Integrator zugeordnet ist.

10. Pulslaser-Entfernungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Schnellverschluß (100a) eine sehr enge mit opaker oder spiegelnden Flüssigkeit gefüllte Küvette mit Elektroden an der engsten Stelle des konzentrierten Strahlenganges verwendet wird.