(57)【要約】目標照射の改善の目的で、１５５０ｎｍの波長を備えたエッジ放出体として形成されたレーザダイオード（３）を備えた送光器の光源（２）は、レーザダイオード（３）に後置されたビーム形成光学系（４）を有している。該ビーム形成光学系（４）は円柱レンズ（７）と、種々異なる回折構造を有している３つのフィールドを備えた第１の偏向素子（８）とを有している。該第１の偏向素子（８）は、放出エッジの連続する区分から射出された部分ビームを、第２の偏向素子（１０）の、前記部分ビームに対して横方向に並んで位置していてやはり種々異なる回折構造を有している３つのフィールドに偏向させ、第２の偏向素子（１０）は部分ビームを、これらの部分ビームがコリメータ（１）の開口をほぼ満たすように、コリメータ（１）の開口に向ける。第１の偏向素子（８）と円柱レンズ（７）のための保持体（６）とは一体的であり、第２の偏向素子（１０）と同様にプラスチックから製作されている。両部材は、ガラスから成るブロック（５）の、互いに反対の端面に接着されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学式の距離測定器であって、目標照射のための少なくとも１つの光源（２）と、コリメータ（１）とが設けられており、該コリメータ（１）が、当該距離測定器から放出され得る放射を、目標照射前に視準するようになっており、光源がコリメータ（１）に前置されていて、エッジ放出体として形成されたレーザダイオード（３）並びに受光器および制御・評価ユニットを有している形式のものにおいて、光源（２）が、レーザダイオード（３）に後置されていてコリメータ（１）を少なくともほぼ照射するビーム形成光学系（４）を有しており、該ビーム形成光学系（４）が、次のように構成されており、すなわち、レーザダイオード（３）の放出エッジの連続する区分から放射された部分ビームを、１つの平面上への部分ビームの投射が少なくともほぼ重なり合うように互いに平行にずらすように構成されており、前記平面が、放出エッジとビーム方向とによって規定された平面に対して回動されており、ビーム形成光学系（４）が、光回折または光屈折に基づく第１の偏向素子（８）と、光回折または光屈折に基づく第２の偏向素子（１０）とを有しており、前記第１の偏向素子（８）と前記第２の偏向素子（１０）とがそれぞれ、構造化された部分を備えたほぼ平坦な表面を有しており、構造化された部分が、少なくとも２つのフィールド（９ａ，９ｂ，９ｃ，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）に分割されていることを特徴とする、光学式の距離測定器。
【請求項２】
レーザダイオード（３）が、８５０ｎｍ〜９８０ｎｍの波長で発光する、請求項１記載の光学式の距離測定器。
【請求項３】
レーザダイオード（３）が、約１５５０ｎｍの波長で発光する、請求項１記載の光学式の距離測定器。
【請求項４】
ビーム形成光学系（４）が、レーザダイオード（３）に直接的に続く円柱レンズ（７）を有しており、該円柱レンズ（７）の軸線が、レーザダイオード（３）の放出エッジに対して平行である、請求項１から３までのいずれか１項記載の光学式の距離測定器。
【請求項５】
円柱レンズ（７）の直径が、最大で６５μｍである、請求項４記載の光学式の距離測定器。
【請求項６】
放出エッジと円柱レンズ（７）との間の間隔が、最大で１５μｍである、請求項４または５記載の光学式の距離測定器。
【請求項７】
第１の偏向素子（８）が、部分ビームを放出エッジに対して横方向でかつ放出エッジに対して平行に、前記部分ビームがほぼ互いに並んで第２の偏向素子（１０）に入射するように種々異なって偏向させ、第２の偏向素子（１０）が部分ビームを、これらの部分ビームがそれぞれコリメータ（１）の焦平面における１つの線から射出されるかのように方向付けるようになっている、請求項１から６までのいずれか１項記載の光学式の距離測定器。
【請求項８】
第１の偏向素子（８）のフィールド（９ａ，９ｂ，９ｃ）が、放出エッジに対して平行に配向されていて、種々異なる回折構造を有しており、第２の偏向素子（１０）のフィールド（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）の数が、第１の偏向素子（８）のフィールド（９ａ，９ｂ，９ｃ）の数に相当し、第２の偏向素子（１０）のフィールド（１１ａ，１１ｂ，１１ｃ）が、種々異なる回折構造を有している、請求項７記載の光学式の距離測定器。
【請求項９】
ビーム形成光学系（４）が、透明な材料から成るブロック（５）を有しており、該ブロック（５）が、第１の偏向素子（８）が固定されている第１の端面と、これとは逆の側の、第２の偏向素子（１０）が固定されている第２の端面とを備えている、請求項７または８記載の光学式の距離測定器。
【請求項１０】
第１の偏向素子（８）と第２の偏向素子（１０）とが、プラスチックから成っている、請求項７から９までのいずれか１項記載の光学式の距離測定器。
【請求項１１】
円柱レンズ（７）が、保持体（６）に固定されており、該保持体（６）が、ブロック（５）の第１の端面に固定されている、請求項９または１０記載の光学式の距離測定器。
【請求項１２】
第１の偏向素子（８）が、保持体（６）と一体的である、請求項１１記載の光学式の距離測定器。
【請求項１３】
レーザダイオード（３）が、ろう接結合によってブロック（５）に固定されている、請求項１１または１２記載の光学式の距離測定器。
【請求項１４】
円柱レンズ（７）が、接合剤によってレーザダイオード（３）に固定されている、請求項４から１０までのいずれか１項記載の光学式の距離測定器。
【請求項１５】
ビーム形成光学系（４）が、部分ビームがファーフィールドにおいて重畳されるように構成されている、請求項１から１４までのいずれか１項記載の光学式の距離測定器。
【請求項１６】
ビーム形成光学系（４）が、部分ビームがファーフィールドにおいてほぼ正方形のフィールドに結像されるように構成されている、請求項１から１５までのいずれか１項記載の光学式の距離測定器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば土地および建物の測量に際して使用されるような、光学式の距離測定器に関する。
【０００２】
従来技術
上位概念による光学式の距離測定器は、ずっと以前から公知である。しかしながら、光源として使用されるレーザダイオードは、放出エッジで射出される光ビームが極めて長くて狭幅の横断面を備えているという欠点を有している。これにより、不良な目標照射が生じてしまう。なぜならば、光ビームの一部分しか目標に入射せず、これがひいては到達距離と測定精度とに不都合な影響を及ぼすからである。さらに測定は、他の、例えばはるかに遠い対象において、目標を外したビームの部分が反射することによって、ひどく妨害されることもあり得る。
【０００３】
発明の開示
本発明の課題は、上位概念による光学式の距離測定器を改良して、上位概念による公知の距離測定器の場合よりも良好な目標照射が達成されるようなものを提供することである。
【０００４】
本発明によって達成される利点は、とりわけ到達距離、すなわち最大測定距離の決定的な改善にあるか、または所定の到達距離で測定精度が高められることにある。
【０００５】
発明を実施するための形態
以下に本発明を、ただ１つの実施例しか示していない図面を用いて詳しく説明する。
【０００６】
本発明による光学式の距離測定器は、送光器と、例えば公知の形式で光学系およびアバランシェフォトダイオードを備えて形成されていてよい受光器と、送光器による光パルスの放射を制御しかつ受光器の出力信号を評価するやはり公知の構成の電子式の制御・評価ユニットとを有している。距離測定は、伝搬時間測定によって行われ得るかまたは位相比較方法によって行われ得る。
【０００７】
送光器は、コリメータ１とこのコリメータ１に前置された光源２とを有している。この光源２は、レーザダイオード３とビーム形成光学系４とから構成されている。レーザダイオード３は、赤外線範囲内の電磁波、有利には８５０ｎｍ〜９８０ｎｍの波長またはλ＝１５５０ｎｍの波長を備えた電磁波を放射するエッジ放出体である。放出エッジは３０μｍ〜８００μｍの長さを有しており、その幅は１μｍ〜３μｍである。放出エッジは長手方向で中断されていてもよい。例えば１つのレーザダイオード３の代わりに、例えば５０μｍのエッジ長さと、連続するエッジ間の１００μｍの間隔とを備えた複数のレーザダイオードから成るリニア状の装置が設けられていてよい。２分の１の開口角の正弦に相当する開口数は、放出エッジに対して平行には０．１であり、放出エッジに対して横方向では０．６〜０．７である。ＳＢＰ（space bandwidth product）として公知の、両値の積は、放出エッジに対して横方向では波長とほぼ同じであり、したがって事実上、単一モード（横モード０）であり、すなわち、超過不可能な原則的な限界値の近くにあり、これとは対照的に、放出エッジに対して平行には、前記限界値よりも係数１０〜１００だけ大きい。この方向においてもＳＢＰは、レンズのような従来式の光屈折素子によって変化し得ない。しかしながらＳＢＰは、光回折または光屈折に基づく素子により、放出エッジの極めて近くでこの放出エッジに対して平行な転位によって減少され得、これに対して放出エッジに対して横方向では増大され得、ひいては光ビームがより強く集中され得る。
【０００８】
この目的のために、ビーム形成光学系４が用いられる。このビーム形成光学系４は、透明な材料、有利にはガラスから成る直方体形のブロック５を有している。このブロック５は、レーザダイオード３に向けられている第１の端面と、これとは逆の側の、コリメータ１に向けられている第２の端面とを備えている。第１の端面はプラスチックから成る保持体６を有しており、この保持体６は円柱レンズ７の端部領域を固定的に保持している。円柱レンズ７は円形の横断面を有しており、その直径は約６０μｍである。円柱レンズ７は、レーザダイオード３の放出エッジに対して平行に方向付けられていて、この放出エッジから約１０μｍだけ間隔を置いて配置されている。円柱レンズ７は、放出エッジから射出された光ビームを平行にする。この光ビームは、使用されているような形式のレーザダイオードの場合、横方向で約８０°の大きい放射角を有している。円柱レンズの直径と、放出エッジからの円柱レンズの間隔とは、前述よりもはるかに大きくてもよいが、特に最大で６５μｍもしくは最大で１５μｍの小さい値では、エッジの連続する領域からコヒーレントに放射される成分の重なり合いは、極めて僅かである。これにより、前記重なり合いによって生ぜしめられる損失も僅かに維持される。
【０００９】
円柱レンズ７には、保持体６と一体的な第１の偏向素子８が後置されている。この偏向素子８は、ほぼ平坦な、ブロック５の第１の端面に対して平行な、構造化された表面を形成している。この表面は、放出エッジに対して平行に、連続する３つのフィールド９ａ，ｂ，ｃに分かれている。これらの３つのフィールド９ａ，ｂ，ｃは、種々異なる階段状の回折構造を有している。これとは逆の側の、ブロック５の第２の端面は、プラスチックから成る第２の偏向素子１０を有している。この偏向素子１０は、ほぼ平坦な、第２の端面に対して平行な、構造化された表面を有している。この表面は、放出エッジに対して横方向に連続する３つのフィールド１１ａ，ｂ，ｃに分かれている。これらの３つのフィールド１１ａ，ｂ，ｃも、種々異なる階段状の回折構造を有している。
【００１０】
第１の偏向素子８の上側のフィールド９ａは、放出エッジの上側の区分から射出されかつ前記上側のフィールド９ａに入射する部分ビームを、第２の偏向素子１０の、ビーム方向で見て左側のフィールド１１ａに向けるように構造化されている。この場所では、ビームはごく僅かに偏向され、これによりビームはコリメータ１に入射し、このコリメータ１の開口の左側のほぼ３分の１を満たす。これに精確に対応する形式で、第１の偏向素子８の下側のフィールド９ｃは、放出エッジの下側の区分から射出されかつ前記下側のフィールド９ｃに入射する部分ビームを、第２の偏向素子１０の、ビーム方向で見て右側のフィールド１１ｃに向ける。この場所でも、精確に対応するようにビームが偏向され、さらに、コリメータ１の開口の右側のほぼ３分の１を満たす。コリメータ１の開口の中間の３分の１は、放出エッジの、幾分短い中間の区分から射出された部分ビームによって満たされる。この部分ビームは偏向されずに、第１の偏向素子８もしくは第２の偏向素子１０の構造化されていない中間のフィールド９ｂ，１１ｂを通過する。
【００１１】
すなわち、３つの部分ビームは第１の偏向素子８によって種々異なって偏向される。この偏向は、３つの部分ビームが放出エッジに対して横方向で見て互いに並んで第２の偏向素子１０に入射し、したがって、ここでは全く例示的に放出エッジの方向とビーム方向とから規定される平面上への３つの部分ビームの投射がほぼ一致するように行われる。もっとも偏向は、例えば放出エッジの方向とビーム方向とによって規定された平面に対して回動されている平面上への投射が生じるように行われてもよい。重要であるのは、部分ビームの交差を回避することである。本発明による偏向装置は、偏向素子８の適当な構成によって機能的にこの偏向素子８内に組み込まれ得るか、または本発明による偏向は、場合によってはさらに偏向素子に設けられた付加的な素子によって行うこともできる。
【００１２】
次いで、部分ビームは、第２の偏向素子１０によって種々異なって偏向される。この偏向は、コリメータ１の焦平面における、放出エッジに対して平行なもしくは回動された線から部分ビームがそれぞれ射出されるかのように、部分ビームがコリメータ１に入射するように行われるか、または別の言い方をすれば、部分ビームの後方への補外（Extrapolation）によってそれぞれ前記のような線が生ぜしめられ、かつ各部分ビームがコリメータ１の開口のほぼ３分の１を満たすように、部分ビームがコリメータ１に入射するように行われる。放出エッジの連続する３つの区分は、ほぼ正方形のフィールドに結像され、しかもこれらの３つの区分がファーフィールドにおいて重畳されるように結像される（図５）。これにより、抜群の目標照射が保証される。
【００１３】
８５０ｎｍ〜９８０ｎｍの波長では、ビームは極めて狭く束ねられ得る。これにより、高い横方向解像度を伴う距離ラスタ化（Distanzrasterung）が可能になる。約１５５０ｎｍの波長も極めて有利である。なぜならばこの場合、約８ｍＪの許容し得る個別パルスエネルギの、目の安全に関して定められた上限が、６３０ｎｍ〜９８０ｎｍの波長の場合よりも約１６０００の係数だけ高いからである。本発明に従ってビームの比較的良好な集中によって可能となる、前記係数の少なくとも部分的な利用によって、到達距離の極めて著しい増大が可能となるかまたは−所定の到達距離で−感度の極めて著しい向上が可能となる。
【００１４】
保持体６およびこの保持体６と一体的な第１の偏向素子８並びに第２の偏向素子１０はそれぞれ、M.T.Gale:'Replication' in H.P.Herzig（編）：'Micro-Optics', Taylor & Francis 1997, 153〜177頁に記載されているような、例えば石英から成る成形工具またはローラのエッチング、熱間エンボシング、射出成形または注型成形（後続のＵＶ硬化を伴う）のような複製技術のうちの１つの複製技術で製作され、ブロック５に接着される。回折構造の規定は、公知のコンピュータプログラムによって行われる。複製方法によって、多くの個数を安価に製作することが可能となる。保持体６もこの技術で製作されることによって、円柱レンズ７の極めて精密な位置決めが可能となる。第１の偏向素子８に関する円柱レンズ７の間隔許容差は、数μｍである。ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９７５１３５２号明細書に記載されているようなろう接技術とアクティブな調整（aktive Justage）とによって、レーザダイオード３は、さらに、このレーザダイオード３と円柱レンズ７との間の組付け許容差が約０．５μｍであるようにビーム形成光学系４に結合され得る。
【００１５】
記述の実施例の種々異なる変化例が可能である。したがって例えば、円柱レンズは接合剤によってレーザダイオードに直接的に固定されていてよい。第１の偏向素子と第２の偏向素子とはガラスから成っていてもよく、例えばエッチング方法によって製作されていてもよい。第１の偏向素子と第２の偏向素子とは、これらの偏向素子を分離するブロックに直接的にエッチングされていてもよい。偏向素子のフィールドの数は３つではなくて、２つ、４つまたはそれ以上であってよい。ビーム形成光学系は、光屈折素子、例えばプリズムおよびプレートから成っていてもよい。最後に、とりわけ６００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長、特に６３０ｎｍ〜９８０ｎｍの波長（これらは先述の範囲外である）を備えたレーザダイオードを使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１ａ】本発明による距離測定器の送光器の側面図を概略的に示す図である。
【００１７】
【図１ｂ】図１ａによる送光器の平面図を概略的に示す図である。
【００１８】
【図３】図１ａ，ｂによる送光器の第１の偏向素子を、ビーム方向で示す平面図である。
【００１９】
【図４】図１ａ，ｂによる送光器の第２の偏向素子を、ビーム方向とは逆の方向で示す平面図である。
【００２０】
【図５】図１ａ，ｂによる送光器の目標照射を示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
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  保持体、  ７  円柱レンズ、  ８  第１の偏向素子、  ９ａ，ｂ，ｃ  フィールド、  １０  第２の偏向素子、  １１ａ，ｂ，ｃ  フィールド
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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