-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Entfernungsmessvorrichtung,
die einen Galileiteleskop-Strahlaufweiter, der eine Großapertur-Objektivlinse
und eine negative Linse umfasst, die eine zugeordnete optische Achse
definieren, zum Empfangen eines Großaperturstrahls, der eine erste
Wellenlänge aufweist
und sich in einer eingehenden Richtung entlang der optischen Achse
ausbreitet, und einen Strahlteiler zum Trennen des Großaperturstrahls
von der optischen Achse aufweist, nachdem der Großaperturstrahl
in die Objektivlinse eingetreten ist und aus der negativen Linse
ausgetreten ist.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Bestimmen
einer Entfernung zu einem Objekt, das die Schritte aufweist:
Bereitstellen
eines Galileiteleskop-Strahlaufweiters, der eine Großapertur-Objektivlinse
und eine negative Linse umfasst, die eine zugeordnete optische Achse definieren,
zum Empfangen eines Großaperturstrahls,
der eine erste Wellenlänge
aufweist und sich in einer eingehenden Richtung entlang der optischen Achse
ausbreitet, und
Bereitstellen eines Strahlteilers zum Trennen
des Großaperturstrahls
von der optischen Achse, nachdem der Großaper turstrahl in die Objektivlinse
eingetreten ist und aus der negativen Linse ausgetreten ist.
-
Ein
solches optomechanisches System und ein solches Verfahren zum Bestimmen
einer Entfernung zu einem Objekt sind aus dem Dokument
US 4,559,445 bekannt. Dieses Dokument
offenbart ein weitwinkliges Laser-Sende-Empfangssystem zur Zielerfassung
unter Verwendung eines gerichteten Laserstrahls.
-
Gemäß diesem
Dokument umfassen existierende optische Sende-Empfangssysteme, die
einen Laser verwenden, ein mechanisches Subsystem aus beweglichen,
kardanisch aufgehängten
Spiegeln, um den Laserstrahl auf ein Ziel zu richten und die Empfängeroptik
zum Empfangen einer Rückkopplung
zu positionieren. Die mechanischen Subsysteme werden als enge Herstellungstoleranzen,
Zusammenbautoleranzen und Ausrichtungstoleranzen bzgl. Komponententeilen
erfordernd beschrieben und man vermutet, dass sie sich unter dem
Einfluss variabler Beschleunigungskräfte schlecht ausrichten.
-
Gemäß diesem
Dokument können
diese Nachteile durch Ersetzen des mechanischen Subsystems durch
eine magneto-optische Lichtablenkvorrichtung überwunden werden, um den Laserstrahl aus
einer optischen Achse in Richtung eines Ziels steuerbar abzulenken.
Als Strahlungsquelle wird ein kollimierter, kohärenter Lichtstrahl, wie z.
B. ein Laserstrahl, verwendet. Nach einer Ablenkung wird der kollimierte
Strahl in einem Strahlaufweiter auf eine gewünschte Strahlgröße aufgeweitet,
um eine Strahldivergenz für
langreichweitige Zielerfassungsanwendungen zu verringern.
-
Aufgrund
des Reziprozitätsprinzips
läuft ein von
einem Ziel reflektierter Rücklaufstrahl
entlang der gleichen Achse wie der Achse, entlang der der den Strahlaufweiter
verlassende Strahl gesendet wird. Der Rücklaufstrahl wird dann durch
eine Linse auf einen Detektor fokussiert.
-
Dementsprechend
verwendet dieses System einen einzigen Laserstrahl zur Zielerfassung.
-
Falls
der kollimierte Laserstrahl nicht abgelenkt wird, pflanzt sich der
reflektierte Rücklaufstrahl in
einer eingehenden Richtung entlang der optischen Achse des Strahlaufweiters
fort.
-
Falls
der Deflektor aktiviert ist, bildet der emittierte Strahl einen
Winkel mit der optischen Achse des Strahlaufweiters. Jedoch pflanzt
sich in diesem Fall der Rücklaufstrahl
aufgrund des Reziprozitätsprinzips
nicht in einer eingehenden Richtung entlang der optischen Achse
fort.
-
Weiterer
Stand der Technik ist aus dem Dokument
US 4,042,822 bekannt. Dieses Dokument betrifft
eine Laserradarvorrichtung unter Verwendung einer Überlagerungserfassung.
Gemäß diesem
Dokument wird ein einzelner Strahl einer Laserquelle in einem Strahlaufweiter
auf geweitet, wobei der aufgeweitete Strahl die Oberfläche eines
Spiegels trifft, die eine darin gebildete Apertur aufweist. Aufgrund
dieser Apertur wird das einfallende Licht in zwei Strahlen geteilt.
Ein Strahl läuft
durch die Apertur und wird auf einem optischen Detektor fokussiert.
Der andere Strahl wird von der Spiegeloberfläche zu einem zweiten Spiegel
reflektiert, der einen Sendestrahl be reitstellt, um zu erfassende
Ziele abzutasten. Ein einzelner Sendestrahl verlässt diesen Spiegel, wird durch ein
Ziel auf den Spiegel reflektiert und mittels eines Winkelreflektors
und des ersten Spiegels zusammen mit dem ersten Strahl reflektiert,
der auf den optischen Detektor einfällt. Dementsprechend wird die Energie,
die von dem Ziel auf den Scannerspiegel zurückreflektiert wird, mit der
Laserstrahlenergie gemischt, die durch die Apertur läuft, um
eine Überlagerungserfassung
der empfangenen Zielsignale zu ermöglichen.
-
Folglich
wird ein einzelner Strahl, der den Aufweiter verlässt, bzw.
der den Scannerspiegel als einen Sendestrahl verlässt, verwendet.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein optomechanisches System,
das ein Paar gesendeter Laserstrahlen und einen empfangenen Strahl verbindet,
die sich eine gemeinsame Optik teilen. Das optomechanische System
weist besondere Hilfsmittel für
tragbare Vorrichtungen auf, die für Entfernungsmessanwendungen
verwendet werden.
-
Bei
einer typischen Entfernungsmessanwendung wird die Sichtlinie („line-of-sight,
LOS") eines hochqualitativen
visuellen optischen Pfads, die zum Lokalisieren und Identifizieren
eines Ziels verwendet wird, mit der LOS eines zweiten optischen
Pfads ausgerichtet, der einem augensicheren Laser zugeordnet ist.
Der augensichere Laserstrahl wird vom Ziel weg reflektiert und wird
zu einem optischen Rücklaufsignal,
welches entlang eines Pfads empfangen wird, der nach dem gesendeten
augensicheren Lasers ausgerichtet ist. Ein Empfängerdetektor tastet den empfangenen
Strahl ab, um eine Information zu erhalten, die verwendet werden
kann, um die Entfernung zu dem Objekt zu bestimmen. Der Empfängerdetektor,
das optische Laserkavitätssystem
zum Erzeugen des augensicheren Laserstrahls und der sichtbare Zielstrahl,
der durch eine Laserdiode und eine Kollimationsoptik erzeugt wird,
können
nicht koaxial auf einer optischen Bank angebracht werden, sie müssen getrennt
werden.
-
Entfernungsmessanwendungen
gemäß dem Stand
der Technik verwenden üblicherweise
komplexe und teure Mehrfachabprallstrahlteiler, um einen koaxialen
Lasersender und optische Zielstrahlpfade zu liefern und den empfangenen
Laserstrahl von den gesendeten Strahlen zu trennen. Ein Teilen der
gesendeten Strahlen von dem Empfängerpfad
erfordert üblicherweise
dichroitische optische Beschichtungen auf dem Strahlteiler. Strahlteiler
gemäß dem Stand der
Technik könnten
bis zu vier Bereiche verschiedener optischer Beschichtungen mit
engen Toleranzen erfordern. Strahllenkverfahren gemäß dem Stand
der Technik erfordern üblicherweise
eine erneute Verpackung des Ziellichts, um komplexe Strahlteiler
mit zusätzlichen
Kosten und Gewicht an die optomechanische Gesamtpackung anzupassen.
-
Kritisch
bei Entfernungsmessanwendungen ist, dass die Winkelausrichtung der
drei Laserstrahlpfade in engen Toleranzen gehalten werden muss. Dies
stellt schwierige Ausrichtungs- und Beibehaltungserfordernisse an
die optischen Elemente dar, die typischerweise verwendet werden,
um die zwei gesendeten Pfade zu kombinieren. Beispielsweise wird
ein Laser oft durch einen Strahlteiler gesendet (,der üblicherweise
um 45° geneigt
ist,) und mit dem ersten Strahl kombiniert. Dies verursacht, dass
die Winkelausrichtungsempfindlichkeit und Beibehaltung des Strahlteilers
zweimal so empfindlich ist wie das Winkelerfordernis zwischen den
zwei Strahlen, was eine kostspielige optische Ausrichtung während der Herstellung
erfordert.
-
Bei
Verwendung muss jeder der zwei LOS-Pfade aus seiner jeweiligen nominalen
Position gelenkt werden. Die zwei LOS-Pfade und der empfangene Pfad werden übereinstimmend
auf eine solche Weise manipuliert, dass sichergestellt ist, dass alle
Pfade im Wesentlichen die gleiche Abweichung aus ihrer nominalen
Position aufweisen. Strahllenkverfahren gemäß dem Stand der Technik für Systeme mit
mehreren Wellenlängen
erfordern Keile oder Prismapaare zum LOS-Lenken.
-
Angesichts
dessen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes
optomechanisches System und ein verbessertes Verfahren zum Bestimmen
einer Entfernung zu einem Objekt zu schaffen.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Entfernungsmessvorrichtung der eingangs
erwähnten
Art gelöst, die
gekennzeichnet ist durch Mittel zum Erzeugen eines ersten Kleinaperturstrahls,
der die erste Wellenlänge
aufweist und eine kleinere Apertur als der Großaperturstrahl aufweist, und
die so angeordnet sind, dass der erste Kleinaperturstrahl sich in
einer entgegengesetzt zu der eingehenden Richtung ausgehenden Richtung
ausbreitet, gegenüber
der optischen Achse versetzt ist und durch ein erstes Randteil des
Galileiteleskop-Strahlaufweiters übertragen wird, Mittel zum
Erzeugen eines zweiten Kleinapersturstrahls, der eine zweite Wellenlänge aufweist,
die verschieden zu der ersten Wellenlänge ist, und der eine kleinere
Apertur als der Großaperturstrahl
aufweist, und die so angeordnet sind, dass der zweite Kleinaperturstrahl
sich ebenfalls in der ausgehenden Richtung ausbreitet, gegenüber der
optischen Achse und gegenüber
dem ersten Kleinaperturstrahl versetzt ist und durch einen zweiten
Randteil des Galileiteleskop-Strahlaufweiters übertragen wird, der fern von
dem ersten Randteil angeordnet ist, und wobei jeweilige Außenteile
jedes der Kleinaperturstrahlen, die von der Objektivlinse ausgehen,
beide im Wesentlichen parallel zu einem Außenteil des Großaperturstrahls
sind, der in die Objektivlinse hineingeht, und wobei der erste Kleinaperturstrahl
von einem entfernten Objekt wegreflektiert wird, um den Großaperturstrahl
zu erzeugen.
-
Des
Weiteren wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs erwähnten Art
gelöst,
das durch die weiteren Schritte gekennzeichnet ist: Bereitstellen
von Mitteln zum Erzeugen eines ersten Kleinaperturstrahls, der die
erste Wellenlänge
aufweist und eine kleinere Apertur als der Großaperturstrahl hat, und die
so angeordnet sind, dass der erste Kleinaperturstrahl sich in einer
ausgehenden Richtung ausbreitet, die entgegengesetzt zu der eingehenden
Richtung ist, gegenüber
der optischen Achse versetzt ist und von der negativen Linse zu
der Objektivlinse durch einen ersten Randteil des Galileiteleskop-Strahlaufweiters übertragen
wird, Bereitstellen von Mitteln zum Erzeugen eines zweiten Kleinaperturstrahls,
der eine zweite Wellenlänge
aufweist, die verschieden zu der ersten Wellenlänge ist, und eine kleinere
Apertur als der Großaperturstrahl
aufweist, und die so angeordnet sind, dass der zweite Kleinaperturstrahl
sich ebenfalls in der ausgehenden Richtung ausbreitet, gegenüber der
optischen Achse und gegenüber
dem ersten Kleinaperturstrahl versetzt ist und durch einen zweiten
Randteil des Galileiteleskop-Strahlaufweiters übertragen wird, der fern zu
dem ersten Randteil angeordnet ist, wobei jeweilige Außenteile
jedes der Kleinaperturstrahlen, die von der Objektivlinse ausgehen,
beide jeweils im Wesentlichen parallel zu einem Außenteil
des Großaperturstrahls
sind, der in die Objektivlinse hineingeht, Vorsehen eines entfernten
Objekts und Reflektieren des ersten Kleinaperturstrahls weg von
dem entfernten Objekt, um den Großaperturstrahl zu erzeugen.
-
Die
vorliegende Erfindung verwendet einen augensicheren Sendelaserstrahl,
einen sichtbaren gesendeten Lichtstrahl und einen einzelnen empfangenen
Laserstrahl, die sich alle ein optisches System mit einer einzelnen
Apertur teilen. Die zwei bleistiftdünnen, gesendeten Strahlen sind
innerhalb von 150 Mikroradianten miteinander ausgerichtet, weisen
jedoch optische Achsen auf, die seitlich versetzt sind. Eine seitliche
Versetzung der zwei gesendeten Strahlen eliminiert das Erfordernis
nach einer komplexen Strahlenkombinationsoptik, was die optomechanischen
Toleranzen lockert. Der eingehende Strahl wird entlang eines Pfads
empfangen, der innerhalb von 500 Mikroradianten im Wesentlichen
parallel zu dem Pfad des gesendeten Laserstrahls ist. Eine Abwandlung
der vorliegenden Erfindung stellt einen Empfangspfad und einen Detektor
zum Abtasten des empfangenen Laserstrahls bereit. Weitere spezifische
Abwandlungen der vorliegenden Erfindung ermöglichen mechanische und optische
Verfahren zum Aufweiten, Ausrichten und Lenken der drei parallelen
Strahlen, sowie zum Trennen des eingehenden Empfangslaserstrahls
von den zwei ausgehenden, gesendeten Laserstrahlen.
-
Eine
exemplarische Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet für einen der ausgehenden, gesendeten
Strahlen einen augensicheren Infrarotlaser mit einer Wellenlänge von 1,533 μm. Der zweite
ausgehende, gesendete Strahl wird durch eine Laserdiode im sichtbaren
Rotspektrum mit einer Wellenlänge
von 0,655 μm
erzeugt und wird mit der Einheit bei einer Waffe als Ziellicht zum
Zielen verwendet. Der eingehende empfangene Strahl stellt die Reflexion
oder die Streuung des gesendeten, augensicheren Infrarotlaserstrahls
weg von dem Ziel dar.
-
Aufgrund
der geringen Größe der gesendeten
Strahlen im Vergleich zu der Empfangsapertur ist ein normaler Glasstrahlteiler
mit einer Antireflexionsbeschichtung bzw. einer dichroitischen Beschichtung nicht
erforderlich, um den empfangenen Strahl von den gesendeten Strahlen
zu trennen. Bei einer Abwandlung einer spezifischen Ausführungsform
läuft jeder
der gesendeten Strahlen mit geringer Apertur durch ein Loch in einem
Metallspiegel-Strahlteiler, der angeordnet ist, um einen wesentlichen
Betrag der empfangenen Laserenergie bei einem Winkel von 90° zu reflektieren.
Ein beispielhafter Strahlteiler ist ein einfacher Aluminiumspiegel
mit einer dünnen, hochreflektiven
Metallbeschichtung mit Löchern,
die es dem Lasersender und den Zielstrahlen ermöglichen, durch den Spiegel
zu laufen. Der Spiegel ermöglicht
einen Reflexionsgrad von ungefähr
98 % für den
Empfängerstrahl
und einen 100 %igen Durchgang für
die gesendeten Strahlen. Der Strahlteiler weist Indiziermerkmale
auf, die eine Selbstausrichtung des Strahlteilers zu der Laserbefestigung
ermöglichen,
wodurch ein optischer Ausrichtungsaufwand reduziert werden.
-
Bei
einem weiteren spezifischen Beispiel der vorliegenden Erfindung
werden die ausgehenden, gesendeten Strahlen vierfach durch eine
Galileiteleskop-Strahlaufweiteroptik vergrößert. Eine Verstärkung der
gesendeten Laserstrahlen durch die Strahl aufweiteroptik ermöglicht wesentlich
kleinere und leichtere Laserquellen, als es ohne die Strahlaufweiteroptik
möglich
wäre. Die
zwei ausgehenden Strahlen werden durch den oberen und unteren Teil
der optischen Apertur des brennpunktlosen Strahlaufweiters übertragen.
Der Strahlaufweiter wird auch durch den Empfängerpfad in Verbindung mit
dem Strahlteiler, Empfängerlinsen
und einem Filter verwendet. Die Objektivlinse des Strahlaufweiters
ist bei der bevorzugten Ausführungsform
ein geklebtes Doublet, das eine positive Kronenlinse mit hohem Brechungsindex und
einer bikonvexen Form und eine Flintlinse mit sehr hohem Brechungsindex
und einer Meniskus-konkaven Form aufweist. Das negative Linsen-„Augenstück" des Strahlaufweiters
weist bei der bevorzugten Ausführungsform
eine bikonkave Form auf und ist aus Kronenglas mit niedrigem Index
gebildet. Die Konstruktion der brennpunktlosen Galileiteleskop-Strahlaufweiteroptik
stellt keine herkömmliche
achromatische Konstruktion dar. Die neuen Aspekte der Konstruktion
der Strahlaufweiteroptik liegen in den Verfahren, in denen die Objektivlinse
spezifisch bei der Wellenlänge
von 1,533 μm
und der Wellenlänge
von 0,655 μm
achromatisiert wird, bei den Aperturen der zwei gesendeten Strahlen,
die derart versetzt sind, dass sie das Strahlaufweiterteleskop außeraxial
von der optischen Mittellinie verlassen und eine relative Winkelausrichtung
innerhalb weniger Mikroradianten beibehalten. Die Konstruktion der
Strahlaufweiteroptik erzielt auch eine sehr flache Wellenfront (mit
beinahe keinen restlichen Aberrationen) für die ganze Apertur des Empfangspfads, um
die bei dem Empfängerdetektor
erforderliche Bildqualität
zu erhalten. Der Galileiteleskop-Strahlaufweiter weist kein Zwischenbild
auf, so dass der gesendete Laserstrahl nicht in einem Brennpunkt konzentriert
wird; dies verhindert eine Ionisierung der Luft.
-
Bei
einer spezifischen Ausführungsform
des Entfernungsmessers läuft
der empfangene Strahl durch ein enges Bandpassfilter zum Herausfiltern
aller Wellenlängen,
außer
der gewünschten
von 1,533 μm,
und wird durch eine asphärische
Glaslinse fokussiert, die die empfangene Strahlergie auf einen Empfängerdetektor
richtet. Der Empfängerdetektor
ist bei der bevorzugten Ausführungsform
eine Lichterfassungsdiode.
-
Das
optische System weist die Fähigkeit
auf, über
ein Sichtfeld („field
of view, FOV") von
+/– 0,5° gelenkt
zu werden. Die Objektivlinse ist in einer Ebene orthogonal zu der
optischen Achse der Objektivlinse beweglich. Bei einem Beispiel
kann die Objektivlinse um 0,775 mm aus der ursprünglichen Position der optischen
Achse bewegt werden, um die gesendeten Strahlen und den Empfangsstrahlpfad
bis zu einem Winkel von 0,5° zu
lenken, während
die erforderlichen Winkelausrichtungen zwischen den zwei gesendeten
Strahlen und dem empfangenen Strahl beibehalten wird.
-
Die
Verfahren der vorliegenden Erfindung ermöglichen verschiedene optomechanische
Systeme zum Entfernungsmessen und für Zielanwendungen. Eine Robustheit,
eine kleine Größe und leichtes
Gewicht stellen bedeutende Vorteile für Anwendungen dar, die eine
Tragbarkeit erfordern. Spezifische Ausführungsformen könnten einen
oder mehrere Vorteile gegenüber
Verfahren gemäß dem Stand
der Technik aufweisen; einschließlich: (1) ein geringeres Gewicht,
(2) eine kleine physikalische Größe, (3)
eine Senkung der Herstellungskosten und (4) eine erhöhte Robustheit.
-
1 zeigt
ein Strahlverfolgungsdiagramm der vorliegenden Erfindung.
-
2a und 2b zeigen
einen Strahlteiler der vorliegenden Erfindung.
-
3 veranschaulicht
ein Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Lenken der LOS.
-
1 zeigt
ein Strahlverfolgungsdiagramm einer Ausführungsform, die verschiedene
spezifische Aspekte der vorliegenden Erfindung beispielhaft darstellt.
Gesendete Laserstrahlen 10, 11 laufen durch kleine
Löcher 28, 29 in
einem Metallspiegel-Strahlteiler 5 und werden vierfach
durch Galileiteleskop-Strahlaufweiteroptik 18 vergrößert, die
eine Objektivlinse 1 und eine negative Linse 4 aufweist.
Die gesendeten Strahlen laufen jeweils durch einen oberen und unteren
Teil der Aufweiteroptik 18, die eine enge Nähe zu dem
Rand der Objektivlinse 1 und der negativen Linse 4 aufweisen.
Ein empfangener Strahl 12 wird durch die Apertur der Objektivlinse 1 empfangen,
die von den zwei ausgehenden gesendeten Strahlen 10, 11 geteilt
wird. Die externen Teile 110, 111 der beiden gesendeten
Teile 10, 11, die die Galileiteleskop-Strahlaufweiteroptik
verlassen, weisen optische Achsen auf, die im Wesentlichen parallel
zu der optischen Achse des externen Teils 112 des empfangenen
Strahls 12 sind, der in die gemeinsam genutzte Galileiteleskop-Strahlaufweiteroptik
eingeht. In 1 und 3 sind die äußeren Teile 110, 111 der
gesendeten Strahlen und der äußere Teil 112 des
eingehenden; empfangenen Strahls in dem Strahlverfolgungsdiagramm
als sich von einer Oberfläche
R1 der Objektivlinse 1 durch das Dichtungsfenster 9 erstreckend
gezeigt. Der augensichere Laserstrahl 10 weist eine Wellenlänge von
1,533 μm auf,
hat einen Durchmesser von 0,8 mm vor einer Vergrößerung und weist eine optische
Achse auf, die 3,35 mm von der opti schen Achse des Strahlaufweiters 18 entfernt
ist. Der Zielstrahl 11 weist eine Wellenlänge von
0,655 μm
auf, hat vor einer Vergrößerung einen
Durchmesser von 2 mm und ist 2,77 mm von der optischen Achse des
Strahlaufweiters 18 angeordnet. Der eingehende Laserstrahl 12 weist
eine Wellenlänge
von 1,533 μm
auf und wird von der Objektivlinse 1 der Strahlaufweiteroptik 18 empfangen, die
gemeinsam von den zwei gesendeten Strahlen 10, 11 genutzt
wird. Der empfangene Strahl 12 ist im Wesentlichen koaxial
zu der optischen Achse des Strahlaufweiters 18 und weist
einen Durchmesser von 34,76 mm auf.
-
Ein
iterativer Prozess wird verwendet, um die brennpunktlose Galileiteleskop-Strahlaufweiteroptik unter
Verwendung einer Konstruktion und einem Simulationscomputersoftwareprogramm
zu konstruieren. Konstruktions- und Simulationsprogramme sind dem
Fachmann bekannt. Wesentliche Programmeingangsparameter umfassen
den Teleskoptyp, die Wellenlängen
der gesendeten und empfangenen Laserstrahlen und, dass eine gute
Aberrationskorrektur erforderlich ist.
-
Bei
dem in 1 gezeigten beispielhaften Entwurf ist das Dichtungsfenster 9 aus
Schott BK7-Glas gebildet und 2,41 mm dick. Die Objektivlinse 1 des
Strahlaufweiters 18 ist eine geklebte Doublet, die eine
bikonvex geformte Linse 2 und eine Meniskus-konkave Linse 3 aufweist.
Die bikonvex geformte Linse ist aus einem Kronenglas Schott LaKN13
mit hohem Brechungsindex hergestellt. Es weist eine Dicke von 7,24
mm entlang der optischen Mittellinie, einen äußeren Radius R1 von 62,87 mm und
einen inneren Radius R2 von –52,19
mm auf, was gleich dem inneren Radius der Meniskus-konkaven Linse
ist. Die Meniskus-konkave
Linse ist aus einem Flintglas Schott SFL6 mit hohem Brechungsindex
hergestellt, weist einen äußeren Radius
R3 von –377,4
mm und eine Dicke von 1,52 mm entlang der optischen Mittellinie
auf.
-
Die
negative Linse 4 ist entlang der optischen Achse der Objektivlinse
62,74 mm von der Objektivlinse angeordnet. Die negative Linse 4 ist
aus Kronenglas Schott BK7 mit geringem Brechungsindex gebildet und
weist eine bikonkave Form mit einem Radius R4 von –96,08 mm,
einen zweiten Radius R5 von 13,07 mm und eine Dicke von 1,52 mm entlang
der optischen Mittellinie auf.
-
Eine
Energie des empfangenen Laserstrahls 12 wird durch einen
Metallspiegel-Strahlteiler 5 aus den zwei gesendeten Strahlen 10, 11 getrennt.
Ungefähr 98 %
der empfangenen Strahlenergie wird vom Metallspiegel-Strahlteiler 5 weg
reflektiert und läuft durch
ein schmales Bandpassfilter 6, das aus einem Siliziumsubstrat
zum Herausfiltern aller Wellenlängen
gebildet ist, außer
der gewünschten
von 1,533 μm.
Eine asphärische
Glaslinse 7 (Geltech Teilenummer 350240) fokussiert die
Energie des empfangenen Strahls 12 auf den Empfängerdetektor 8.
Der Empfängerdetektor 8 stellt
bei den bevorzugten Ausführungsformen
eine Lichterfassungsdiode (EG&G Teilenummer
30718E) dar.
-
Bei
der in 1 beispielhaft gezeigten Ausführungsform ist der Einlasspfad
des Empfängerdetektors 8 im
Wesentlichen orthogonal zu der optischen Achse der Strahlaufweiteroptik 18.
Ein Strahlteiler 5, der bei einem 45°-Winkel von der optischen Achse
der Strahlaufweiteroptik 18 angeordnet ist, trennt den
empfangenen Strahl 12 von den gesendeten Strahlen 10, 11 und
krümmt
den Pfad des empfangenen Strahls 12 um 90° in den Emp fängerdetektor 8.
Ein exemplarischer Strahlteiler 5 der vorliegenden Erfindung
ist in 2 gezeigt. Der Strahlteiler 5 ist
vorzugsweise aus Aluminium 23 mit einer dünnen Nickelbekleidung 21 auf
einer Oberfläche
gebildet, die optisch poliert ist, um eine höchst geglättete Oberfläche 24 vorzusehen.
Diese Nickeloberfläche
kann dann mit Aluminium mit einer weiteren Schutzbeschichtung aus
SiOx oder alternativ auch mit Gold bekleidet
oder mit Gold mit einer weiteren Schutzbeschichtung aus SiOx beschichtet sein. Jeder Vorgang resultiert
in einer hochreflektiven Spiegeloberfläche. Alternativ könnte der
Strahlteiler 5 aus Kupfer gebildet sein, welches optisch
auf einer Seite 24 poliert und anschließend mit einer Schutzschicht
aus SiOx überzogen ist. Zwei kleine Löcher 28, 29,
die gewissermaßen überdimensioniert
sind, verglichen mit den Durchmesser der gesendeten Strahlen 11, 10,
werden in dem Metallspiegeln ausgebildet, um es den zwei gesendeten
Strahlen 11, 10 zu ermöglichen, durch sie zu laufen.
Eine spezifische Ausführungsform
verwendet an dem Strahlteiler 5 ein Indiziermerkmal 25,
um eine Selbstausrichtung des Strahlteilers 5 zu der Laserbefestigung
zu erhalten, wodurch eine aufwändige
manuelle optische Ausrichtung eliminiert wird. Eine Selbstausrichtung
wird durch Positionieren der Kerbe 25 an dem Strahlteiler zu
einem Gegenvorsprung 30 an der Laserbefestigung derart
positioniert, dass die zwei orthogonalen Ränder der Kerbe 25 eng
gegen zwei jeweilige Oberflächen
des Vorsprungs 30 an der Laserbefestigung gedrückt werden.
Die zwei Ränder
der Kerbe 25 und die jeweiligen Oberflächen an dem Gegenvorsprung 30 an
der Laserbefestigung sind auf wenige Mikrometer akkurat gefertigt,
um eine akkurate xy-Positionierung
sowie eine akkurate Reposition des Strahlteilers 5 gegenüber der
Befestigung zu ermöglichen. Der
Strahlteiler 5 kann dann fest mit drei maschinenbearbeiteten
Pads an der Be festigung verbunden werden, die mit engen Toleranzen
gehalten werden, um eine kinematische Dreipunktbefestigung des Strahlteilers 5 an
der Laserbefestigung zu erzielen.
-
Bezug
nehmend auf 3 sieht eine Variation der vorliegenden
Erfindung die Fähigkeit
zum Lenken der LOS sowohl der gesendeten Strahlen 110, 111 als
auch des empfangenen Strahls 112 über ein Sichtfeld von +/– 0,5° vor. Die
Objektivlinse 1 ist in allen Richtungen innerhalb der Ebene
beweglich, die orthogonal zu der optischen Achse der Objektivlinse 1 ist.
Bei der exemplarischen Ausführungsform kann
die Objektivlinse um 0,775 mm von der ursprünglichen Position der Objektivlinse 1 bewegt werden,
um die externen Teile 110, 111 der zwei gesendeten
Strahlen 10, 11 und den externen Teil 112 des
empfangenen Strahls 12 bis zu einem Winkel von 0,5° über ihre
jeweiligen nominalen Positionen zu lenken. Die externen Teile 110, 111, 112 der
drei Strahlen behalten die erforderliche relative Winkelausrichtung
bei. 3 zeigt die Objektivlinse 1 in einer
Position, die aus der mittigen Position 1 derart versetzt
ist, dass die externen Teile des eingehenden Strahls 112 und
die externen Teile der gesendeten Strahlen 110 und 111 jeweils
eine optische Achse aufweisen, die sich mit einem gewünschten
Winkel zu ihren jeweiligen nominalen Positionen 110, 111, 112 befinden.