(57)【要約】  本発明は、遠方の物体（８）と近接の物体との距離を、物体で反射された変調されたレーザービーム（１）を放射することによる、測定する装置に関する。装置は、対物レンズ（２）と、ビームを選択する手段（１２、３６、３８、３９、４０）と、受信装置（７）とを備える。ビームは、対物レンズにより束ねられ、このビームは、物体で反射されたレーザービーム（３）だけでなく背景ビーム（２８）をも含む。光線束の関連する断面範囲（３４、３７）のビームは、選択手段（１２、３６、３８、３９、４０）により、ビームの束から選択される。この断面範囲は、第１の部分（５）と少なくとも一つの第２の部分（６）とを備え、遠方の物体で反射されたレーザービーム（３）は第１の部分（５）に関連し、近接の物体により反射されたレーザービーム（３）は第２の部分（６）に関連する。
2007514942.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変調され、放射されたレーザービーム（１）が反射されることにより、遠方・近接物体（８）との距離（ｄ）測定装置において、
レーザービームを放射し、物体で反射されたレーザービーム（３）と背景光（２８）を有する光線を集光する共通対物レンズ（２）と、
第１の部分（５）と少なくとも一つの第２の部分（６）と、遠方物体により反射され、第１の部分（５）と調整されるレーザービーム（３）と、近接物体により反射され、少なくとも一つの第２の部分（６）と調整されるレーザービーム（３）と、第２の部分（６）を介し、選択された近接物体により反射された集光されたレーザービーム（１）の小部分とを有する集光された光線束の凝集断面範囲（３４、３７）の光線を選択する光線選択手段（１２、３６、３８、３９、４０）と、
距離（ｄ）が光線の伝送速度により決定できるように、単一電気信号に選択された光線を変換する受信装置（７）とを備え、
上記選択手段（１２、３６、３８、３９、４０）は、少なくとも一つの第２の部分（６）が少なくとも第１の部分（５）の寸法を有するように形成されていることを特徴とする遠方・近接物体距離測定装置。
【請求項２】
指向性を有する反射をする物体（８）との距離（ｄ）を測定し、放射されたレーザービーム（１）が非平行光線束に形成されることを特徴とする請求項１記載の距離測定装置。
【請求項３】
上記光線選択手段（１２、３６、３８、３９、４０）は、シングル第１部品（５）がその間に配置されている少なくとも第２の部品（６）を、選択された上記断面範囲（３４）が有するように、形成されることを特徴とする請求項１あるいは２記載の距離測定装置。
【請求項４】
指向性を有する反射をし、変調され、放射され、反射された非平行光線束に形成されるレーザービーム（１）により、遠方・近接物体（８）との距離（ｄ）測定装置において、
上記物体で反射されたレーザービーム（３）と背景光（２８）を有する光線を集光する対物レンズ（２）と、
レーザービーム（１）を放射する更なる物体（４１）と、
第１の部分（５）と第２の部分（６）と、遠方物体により反射され、第１の部分（５）と調整されるレーザービーム（３）と、近接物体により反射され、第２の部分（６）と調整されるレーザービーム（３）と、少なくとも第２の部分（６）を介し、選択された近接物体により反射された集光されたレーザービーム（１）の小部分だけとを有する集光された光線束の凝集断面範囲（３４、３７）の光線を選択する光線選択手段（４０）と、
距離（ｄ）が光線の伝送速度により決定できるように、単一電気信号に選択された光線を変換する受信装置（７）とを備え、
上記光線選択手段（４０）は、第２の部分（６）が少なくとも第1の部分（５）の寸法を有するように形成されていることを特徴とする遠方・近接物体距離測定装置。
【請求項５】
上記光線選択手段（１２、３８、３９、４０）は、上記第２の部分（６）が上記第1の部分（５）よりも大きな寸法を有するように形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか記載の距離測定装置。
【請求項６】
上記光線選択手段（１２、３８、３９、４０）は、指向性を持って反射する物体（８）への測定中、近接から遠方の異なる距離（ｄ）で、選択された光線の輝度のそれぞれの差が低減するよう、選択された上記断面範囲（３４）が、上記第２の部分（６）から始まり上記第1の部分（５）に向かってテーパーとなるように形成されることを特徴とする請求項５記載の距離測定装置。
【請求項７】
指向性を持って反射する物体（８）と散乱を持って反射する物体への測定をし、散乱を持って反射する物体への測定のため、発射されたレーザービームが平行光線束に形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか記載の距離測定装置。
【請求項８】
上記選択手段（１２、３６、３８、３９、４０）は、指向性を持って反射する物体（８）と散乱を持って反射する物体への測定中、近接から遠方の異なる距離（ｄ）のそれぞれの場合に、選択された光線の輝度の間のそれぞれの差が低減するよう、選択された上記断面範囲（３４）が、上記第２の部分（６）から始まり上記第1の部分（５）に向かってテーパーとなるように形成されることを特徴とする請求項７記載の距離測定装置。
【請求項９】
少なくとも一つのマルチモード光ファイバー（１０）が選択された光線の伝送のために設けられることを特徴とする請求項１から８のいずれか記載の距離測定装置。
【請求項１０】
上記光線選択手段（３９）は、端部が細長くなるように両側から押しつぶされたマルチモード光ファイバー（１０）として形成されたことを特徴とする請求項９記載の距離測定装置。
【請求項１１】
上記光線選択手段（１２）は、例えば、スリットダイアフラムあるいは交差スリットダイアフラムのようなダイアフラムで形成され、さらに、マルチモード光ファイバー（１０）の入力部分と結合されることを特徴とする請求項１から９のいずれか記載の距離測定装置。
【請求項１２】
上記光線選択手段は、例えば、円柱レンズ、自由形状レンズあるいはメタライズされた光収集ファンネルなどの反射、屈折あるいは回折光素子として形成され、さらにそれをマルチモード光ファイバー（１０）の入力部分の前に配置することを特徴とする請求項１から９のいずれか記載の距離測定装置。
【請求項１３】
上記光線選択手段は、細長い有効検出範囲（４２）を有する検出器（４０）として形成されることを特徴とする請求項１から９のいずれか記載の距離測定装置。
【請求項１４】
上記光線選択手段（１２、３６、３８、３９、４０）は、集光された光線のための対物レンズ（２）の焦点面（２０）の近傍に配置されることを特徴とする請求項１から１３のいずれか記載の距離測定装置。
【請求項１５】
接眼レンズ（２３）が設けられ、その接眼レンズ（２３）と対物レンズ（４１）が物体（８）を観測するための望遠鏡を形成することを特徴とする請求項１から１４のいずれか記載の距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１と４によるように、変調され、放射されたレーザービームが反射されて、近接と遠方の物体との距離を測定する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
このような２−３ミリメートルの精度で物体との距離を測定する装置は、長く知られており、非常に広い範囲、特に測量と建設で多く使用されている。距離を測定するために、伝送光線束がそのような装置で測定される物体に向かって発射される。少なくとも伝送された束の光線のいくつかは、物体により反射される。その物体で反射された光線と干渉する背景光線を含む光線が、装置の光学システムにより収集され、装置の受信装置により、一つの電気信号に変換される。この信号は、個々の光線あるいは背景ノイズが同等である信号からなる。光線の伝送速度を基に、この電気信号を評価することで、物体との距離が決定できる。
【０００３】
それぞれの用途と必要な距離範囲により、測定は異なるタイプの物体に影響される。
【０００４】
一方、２−３センチメートルから数百メートルの範囲の距離の測定が、方向付けられていなく、装置に散乱して戻る伝送光線を反射する物体に実行できる。このような物体は、典型的に、自然な粗い表面を有している。距離は、伝送光線束が当る表面の部分により決定される。照射部分の大きさが、散乱を有し反射する物体の表面での測定の部分分解能を決定する。多くの物体の場合、高い部分分解能が正確な測定の前提条件になる。伝送光線束のビームの開きが小さいほど、照射部分が小さくなり（DE19840049A1による）、一般に、散乱を有する反射をする物体との距離の測定の基本的に到達できる精度が高くなる。
【０００５】
他方では、数センチメートルから数キロメートルの広い範囲の距離測定は、方向付けられて装置に戻る放射光線を反射する物体で実行可能である。方向付けて反射する物体は、経験上、すりガラスのコーナーキューブプリズムで形成される。このような物体は、散乱を有し反射する物体よりも数桁大きな再帰反射性を有すので、方向付けられた反射をする物体だけが、装置により選択的に測定される。伝送光線束の広がりが大きいほど、距離測定装置をこのような物体と調整する必要をより少なくする。DE19840049A1によると、装置との正確な調整無しに、特に短距離と中間距離の場合、方向性のある反射をする物体との距離の測定の便利さが大きくなると考えられる。
【０００６】
このような装置では、受けた光線束に関し伝送光線束の配置の二つの異なる基本形式が知られている。一軸基本形式では、共通の対物レンズが受信光線束と送信のために設けられる。現在では、伝送光線束は、中心の反射要素ために受信光線束の内側に配置するようになっている。この目的のため、中央反射要素を共通対物レンズの光軸上に配置する。他方、二軸基本形式では、受信光線束と伝送光線束が距離を離して配置される。この場合、分離した対物レンズが伝送光線束戸受信光線束のために設けられる。
【０００７】
それぞれの基本形式を比べると、二つの基本形式は利点、欠点を有し、使用によって異なる重要性がある。
【０００８】
しかし、基本形式にかかわらず、物体により反射された伝送光線の検出の問題は、或る距離から、受信装置により変換される反射伝送光線が少なくなるほど、物体と装置を近づけなければならないので、特別の測定でなくても、物体との測定装置に生じる。もし、反射の伝送光線の使用できる信号が、臨界の強さを下回った場合、測定の精度あるいは迅速性は減じ、あるいは測定そのものが完全に不可能になる。
【０００９】
一軸基本形式の装置において、検出の問題は、近接の物体の測定で中央反射要素による影により生じる。反射要素は、対物レンズにより集められた反射伝送光線の少なくとも一部を受信装置への経路を妨害する。測定される物体が装置に近くなるほど、集光された伝送光線が対物レンズの焦点面内で中央から周辺に離れ、受信装置の構成に依存する範囲がより大きくなり電気信号への変換に関し、損失が大きくなる。指向性をもって反射し、その角部で伝送束が配置されるコーナーキューブプリズムに近接した測定でも、散乱のある反射をする物体に近接した測定でも、有効な信号が臨界値を下回ることがある。このような臨界値に近づく失敗を避けるために、様々な測定が知られている。
【００１０】
DE10128484A1は、共通の対物レンズと、平行なレーザービームの形での伝送光線束と、同軸に配置された受信光線束を有する距離測定装置を開示している。影の問題を解決する測定は、並行に配置された三つの光ウエーブガイドを提供し、それは物体の焦点面内で異なる大きさの入力部分が並行に配置される。一番大きな入力部分は、遠方物体の測定に用いられる。光ウエーブガイドにより伝送される受信光線束は、検出器の上に集光レンズを介し、焦点を合わせられる。受信光線束は、三つの入力部分により拡大されるので、近接でも遠方の物体でも測定できる。代替の測定として、同じ寸法の入力部分を有するシングル光ウエーブガイドがある。一般に、背景の干渉光線の環境は、光ウエーブガイドの入力部分にも同様で、反射伝送光線と背景の干渉光線との比率を改善するために、光学スクリーニングマスクが前部に配置される。このマスクは、中央ダイアフラムと、直径が中央ダイアフラムと比較して小さい少なくとも一つの横ダイアフラムとを有する。
【００１１】
DE69608066T2は、共通対物レンズと、平行なレーザービームの形での伝送光線束と、同軸に配置された受信光線束を有する距離測定装置を開示している。散乱を有する反射をする物体との短い距離を計測するために、散乱を有し反射された測定される光を反射し、対物レンズの光軸から後ろの軸に向かい移動する反射装置が提供されている。このような反射装置の提供は、装置の製造において対応するコストを上昇させる。
【００１２】
二軸基本形式の装置の場合、距離の離れた伝送光線束と受信光線束との視差により、近接物体の測定のときに検出の問題が生じる。測定される物体が装置に近くなるほど、受信光線束が、焦点面内で伝送光線束の光軸から、より大きく離れ移動する。指向性の反射をし、そのコーナーで伝送光線束が中央に配列される近接のコーナーキューブプリズムへの測定をする場合も、散乱の反射をする近い物体への測定をする場合も、有効な信号は臨界値を下回るかもしれない。信号がこの臨界値を下回るのを防ぐ様々な測定が多く、従来例で開示されている。
【００１３】
WO03/002939A1は、平行なレーザービームの伝送光線束と、光検出範囲が凹状あるいは楔の形状に広がる光学検出器を備える二軸基本形式の光学距離測定装置を開示しており、それは、目標の物体への距離が大きくなる場合にも、目標物体により反射された伝送光線のビームずれに対し適切である。目標物体距離が大きくなるビームずれの方向にその範囲がテーパーになっている。
【００１４】
DE4316348A1は、焦点面内で移動可能で、測定する物体への距離の関数として装置の受信光線束を追跡する光ファイバーを備える二軸基本形式の距離測定装置を開示している。これは、第１に測定速度を低減し、第２に複雑なデザインを要求する。
【００１５】
DE69225811T2は、乗り物のための光レーダー装置を開示しており、それは、伝送装置が半導体レーザーダイオードと複焦点光学システムによるレーザービームの非平行伝送光線束を提供し、障害物への光学距離決定のための車道部分を図示している。このような装置で、近接から中距離がデシメートルに正確に決定できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、指向性の物体、あるいは散乱にある反射をする物体に通常の技術で正確に測定可能で、近接から遠方までの広い範囲で対応できるように、従来技術の欠点を除去し、シンプルな距離測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この目的は、本発明の請求項１と４の特徴を有する装置により実現される。
【００１８】
遠方、近接物体との距離の測定において、本発明による装置に変調されたレーザービームが照射され、物体により反射される。装置は、対物レンズと、光線選択手段と、受信装置とを備える。対物レンズは物体により反射されたレーザービームに続く背景光線を含む光線を集光する。選択手段は、集光された光線の束からこの束の凝集切断範囲に属する光線を選択する。この切断範囲は、第１と少なくとも一つの第２の部分を有し、第１部分に対応する遠方物体により反射されたレーザービームと、第２部分に対応する近接物体により反射されたレーザービームと、第２部分を介し選択された近接物体により反射された集光レーザービームの部分だけを備える。選択された束の光線は、距離が光線の伝送速度により決定されるように、単一電気信号に受信装置を介し変換される。本発明によると、選択手段は、少なくとも一つの第２の部分が第１の部分の寸法を少なくとも有するように形成される。従って、はじめに十分な反射の伝送光線が近接物体への通常の測定のため変換され、第２に、特に、遠方物体への測定の場合、装置の測定範囲が拡大可能な結果により背景ノイズを低減するように、選択された光線の束は、装置の外側で形成できる。
【００１９】
本発明のさらなる目的は、距離測定範囲を超えた有効な信号の強さで、小さな違いを有する有効な信号の不変のカーブを有する上記の装置を提供することである。これは、ますます近くなる物体により反射された集光されたレーザービームの増大する輝度で実現され、第２の部分から始まり第１の部分に向かってテーパーを形成することを考慮して得られる。
【００２０】
さらに、距離測定装置は、経緯儀の望遠鏡に一体化されるよう開発されている。
【００２１】
本発明の代替やさらなる発展が、従属の請求項の特徴に記述されている。
【実施例】
【００２２】
図１は、散乱を有する反射をする物体と、概略で示された望遠鏡に同軸に一体化された一軸基本形式の本発明による距離測定装置、例えば経緯儀の測定配列を示す。
【００２３】
指向性の反射をする物体は、ここでは、コーナーキューブプリズム８として形成され、装置から可変の距離ｄに存在する。物体は、装置から１メートルの短い距離から１キロメートルの長い距離にある。図１、２、３で光線の概略図は、約１メートルの短い距離ｄを基にしている。ここで、装置により変調されコーナーキューブプリズム８に伝送されたレーザービーム１の束が、装置の照準線と同軸になるよう、測定装置は望遠鏡に一体化される。
【００２４】
この測定配置では、コーナーキューブプリズム８は、同時に測定される。装置の照準線は、角部により形成されるコーナーキューブプリズム８の反射中心と一列に合わせられる。ここで、放射レーザービームは１、光線束の軸について点対称なコーナーキューブプリズム８により反射される。反射されたレーザービーム３からの光線束の広いがりは、放射レーザービーム１からの光線束の広がりに対応している。
【００２５】
ここで、距離測定装置に一体化された望遠鏡は、レーザーダイオード２５、矩形の断面の中央反射要素２１、対物レンズ２、波長選択ミラー２４、ダイアフラム１２、センタリング取付部２６、円柱マルチモード光ファイバ１０、受信装置７と接眼レンズとを備える。
【００２６】
変調されたレーザービームを発生させるレーザーダイオード２５の放射範囲は、放射レーザービーム１が広がりを持つ非平行光線束の形でコーナーキューブプリズム８上に投射されるよう、伝送側の対物レンズ２の焦点面の前に配置される。非平行光線束の個々の部分束は、非平行光線束の軸を有するそれぞれの部分束の伝送方向の相対角度に比例した異なる広がり角を有する。部分束の広がりは、非平行光線束の軸から大きくなり、光の伝送が、軸を横切るように、軸に平行である。それは、放射されたレーザービーム１の光線束の端部で約５ミリラジアンの広がりである。放射されたレーザービーム１の少なくとも一部はコーナーキューブプリズム８により反射される。
【００２７】
コーナーキューブプリズム８により反射されたレーザービーム３の少なくとも一部と背景光線束を有する光線束は、対物レンズ２により集光される。図１、２、３に示された距離ｄが１メートルの場合、放射されたレーザービーム１の全非平行光線束は、コーナーキューブプリズム８により反射され、反射されたレーザービーム３の全非平行光線束が集光される。配置により、全ての集光された光線が中央反射要素を通ることはできない。
【００２８】
物体により反射され、中央反射要素を通ることのできる放射光線の一部は、物体の反射、放射光線の広がりにより、少なくとも物体から装置への距離によってではなく、決定される。
【００２９】
反射要素２１を通った反射レーザービーム３は、波長選択ミラー２４により反射され、中央反射要素２１のうしろにより偏光され、ダイアフラム１２に投射される。投射された光線の少なくとも一部は、光ファイバー１０を介し受信装置７に伝送され、そこで電気信号に変換され、距離が知られた方法により決定される。もし反射されたレーザービーム３が、迅速で信頼性のある測定に十分なほど受信装置７に届かないとき、図１に対応し、放射されたレーザービーム１の非平行光線束を有する装置の場合に、非常に近い距離ｄの物体の測定に問題が生じる。
【００３０】
図２は、図１の装置の第１の光線選択手段の拡大詳細図であり、投射された光線束の概略の側面図である。ここで、第１の光線選択手段は、光ファイバー１０の端部と、ダイアフラム１２とを有する。ダイアフラム１２は、センタリング取り付け部２６により受信装置側に、焦点面２０内の光ファイバー１０の入力部分の上方に維持される。ダイアフラム１２に投射された光線束は、集光され、反射され、偏光された、図１のコーナーキューブプリズム８により反射されたレーザービーム３と背景の光線２８とを含む。反射されたレーザービーム３は、受信装置側の焦点面２０の後ろ、この場合光ファイバー１０の端部、にある共通集光点２９を有する非平行光線束の形で存在する。このダイアフラム１２は、開口の断面範囲が図３で見える長いダイアフラム開口１３を有する。
【００３１】
図３は、ダイアフラム１２と、光ファイバー１０と、センタリング取付部２６の部分を有する図２の第１の選択手段の拡大詳細を、投射光線束の概略像で、平面図であらわす。図２に示された投射光線束は、反射光線３と背景光線２８とを含み、図１に示されるように、これらの光線は対物レンズ２により集光され、中央反射要素２１の後ろにより偏光される。ダイアフラム１２のダイアフラム開口１３は、光ファイバー１０の入力部分で同心円に配置され、二つの端部断面が広い部分であるような凝集、長形断面範囲を有する。センタリング取付部２６の一部と円柱光ファイバー１０の入力部分の一部が、ダイアフラム開口１３を通し見ることが可能である。ここでは見えない入力部分の端部は、一点鎖線で示されている。
【００３２】
投射光線束の一部は、ダイアフラム１２で遮断される。その光線束の他の部分は、ダイアフラム１２の凝集で、長いダイアフラム開口１３により通過することができる。実際の部分が光ファイバーの入力部分に当る。この方法で、光線束の断面のある範囲からの光線束が、投射光線束から選択される。
【００３３】
図１に示すように、近接のコーナーキューブプリズム８により反射された、集光レーザービーム３の主な部分は、この例の矩形状の中央反射要素を通過できず、透過した反射レーザービーム３は、多くのドットで概略を示した、狭い矩形フレーム３０を形成する。フレーム３０の形状は、中央反射要素２１と、コーナーキューブプリズム８との距離と、光線束の非平行の程度により決定される。放射レーザービーム１は、コーナーキューブプリズム８により指向性をもって反射されるので、フレーム３０は比較的くっきりと範囲が定められる。
【００３４】
図１、２の集光背景光線２８は、境界が図３で点線の円形線３１により示された範囲の内側に存在する。この範囲の形状と広がりは、物体２により位置側が決められる。図２に示すように、コーナーキューブプリズム８により反射されたレーザービーム３に加えるに、背景光線２８が選択可能で、ダイアフラム１２と光ファイバー１０の入力部分により伝送される。
【００３５】
図４は、ダイアフラム１２の上に投射された光線束の断面を示し、その断面は、図２の焦点面２０に存在する。点線の円形線３１は、光線束の断面の境界を示している。図３に示すように、凝集の第１の断面範囲３４の光線が、ダイアフラム１２と光ファイバー１０により、ダイアフラム開口１３と入力部分とを介し、反射された光線束から選択される。選択された光線を有する第１の断面範囲３４は、ダイアフラムのオリフィス１３の断面部分と、光ファイバー１０の入力部分の共通断面部分に対応している。
【００３６】
第１の断面範囲３４は、真中の第１の部分５と、二つの端部の第２の部分６とを備える。二つの第２の部分６は、図３のダイアフラム開口１３の広い部分に対応し、第１の部分５よりも大きな寸法を持っている。近接の物体により反射された集光されたレーザービームの一部だけが、この第２の部分により選択される。
【００３７】
図１、３に示すように、近接のコーナーキューブプリズム８により反射された選択された光線３は、二つの第２の部分６の一つの中に存在する。反射されたレーザービーム３に背景光線２８が含まれる選択光線は、受信装置７に光ファイバー１０を介し伝送される。選択光線は、受信装置７により電気信号に変換され、その電気信号は、コーナーキューブプリズム８により反射された光線３と同等で、実際に望まれる有効な信号に加え、背景光線２８と同等の干渉背景ノイズを有する。背景ノイズに対する有効信号の比率は、信号・ノイズ比SNRと呼ばれ、小さいほど、装置で測定可能な最大距離ｄがより小さくなる。
【００３８】
図５は、図３に対応する４つの異なる平面図の比較を示し、図１のコーナーキューブプリズム８の距離ｄが約１、５、２０あるいは１００メートル以上の値を有する。
【００３９】
４つの平面図ずべては、光ファイバー１０の入力部分と受信装置側にあり、図２の焦点面２０にあるダイアフラム開口１３とだけを示している。それぞれの平面図は、非平行光線束の形で存在する反射レーザービーム３を有する、図２のダイアフラム１２上へ投射された集光光線を示す。図１において、放射されたレーザービーム１はコーナーキューブプリズム８により指向性の反射がされるので、反射のレーザービーム３の投射像は、比較的鮮明な境界を有する。
【００４０】
図３と一致する第１の平面図は、図１の約１メートルの近接した距離ｄに基づいている。反射レーザービーム３は、図３の狭い矩形フレーム３０を形成している。二つの垂直、水平フレーム部分は、数百ミリメートルの範囲の幅だけを有している。典型的に４分の１から１ミリメートルの直径を有する円柱光ファイバー１０の入力部分を比較的大きな拡大をすると、（コーナーキューブプリズムに近い測定の）中心から離れた反射したレーザービーム３が受信装置に届くように、ダイアフラム開口１３の長く拡大を同時に可能となる。反射レーザービーム３の二つの水平のフレーム部分が、ダイアフラム開口１３の広い部分に配置されるので、中央反射要素を通る反射レーザービーム３は更に入力部分に入ることができ、このように選択可能となる。その結果、短い距離ｄが、信頼性よく、迅速に測定可能となる。
【００４１】
第２の平面図は、約５メートルの中間の距離ｄを基にしている。反射レーザービーム３は、中心の矩形の凹部がフレーム範囲の一部だけとみなされるので、境界フレーム部を有する部分円形フレーム３２を形成する。放射レーザービームの全非平行光線束が、約５メートルの距離ｄからコーナーキューブプリズムによる指向性の反射がもはやされないので、縦フレーム部は、外側が丸められる。水平フレーム部は、境界部のない部分に配置されるので、信頼性がよく迅速な測定を実施できるような十分な反射レーザービーム３が得られる。
【００４２】
図１のコーナーキューブプリズム８との距離ｄが長くなれば、反射レーザービーム３の非平行光線束の矩形の凹みを有する投射像が小さくなる。
【００４３】
第４の平面図は、１００メートル以上の長い距離ｄによる。集光され反射されたレーザービーム３の非平行光線束の断面は、受信装置側で、焦点面２０内に、中心に図５ではもはや矩形の凹みが見えない、円形範囲３３を形成する。円形範囲３３は、遠方のコーナーキューブプリズム８により反射されたレーザービーム」３を有し、図４の断面範囲３４の第1の部分５内に完全に入る。中央部の拡大は、少なくともこの円形範囲３３の拡大を有するべきである。
【００４４】
実際、ダイアフラム開口１３の中央部の拡大は、遠方のコーナーキューブプリズム８により反射されたレーザービーム３の非平行な光線束の適切な断面の拡大の約２倍となるよう選ばれる。
【００４５】
同時に、図２に示され、入力部分の方向に投射された背景光線２８の主要部は、ダイアフラム１２により妨げられ、もはや、ダイアフラム開口１３を通る光ファイバー１０の入力部分に入ることができない。その結果、コーナーキューブプリズムにより反射されたレーザービーム３に対する背景光線２８の比率は、レーザービームが全て入力部分に入るので、改善される。これは、遠方の物体の測定における利点である。
【００４６】
図６は、距離ｄの関数として３つの電気信号の有効信号・背景ノイズ比SNRの曲線を示す３つの曲線SNR-1,SNR-2,SNR-3の図形的比較を示し、電気信号は、３つの異なる装置による。個別の有効信号・背景ノイズ比SNRの計算の決定は、図１の測定配置を基にしている。コーナーキューブプリズム８から装置の距離ｄは、図的な比較の横座標の添って対数でプロットしている。有効信号・背景ノイズ比SNRの値は、縦座標に沿ってプロットしている。
【００４７】
図１の受信装置７により生成された電気信号の有効信号・背景ノイズ比SNRの曲線は、距離を測定する装置の形式や部品の寸法の大きさに依存する。特に、受信装置のデザインと選択手段は、曲線に対し影響する。実線で示す第1の曲線SNR-1は、図１から５の本発明による距離測定装置によるもので、第1の手段ダイアフラム１２が大きな範囲の太い光ファイバー１０と組み合わされ、光線選択が提供されている。延ばされたダイアフラム開口１３が太い光ファイバー１０の入力部分を超えて横切って延びているので、近接のコーナーキューブプリズム８により反射されたレーザービーム３は光ファイバーに十分な大きさで入力される。ダイアフラム開口１３の端部で広い部分となるので、反射レーザービーム３の十分な量が光ファイバー１０に入力される。１００よりも大きな十分に大きい有効信号・背景ノイズ比SNRは、１メートル以下の距離ｄの物体の信頼性のある測定を可能とする。図」４の第1の断面範囲３４が光ファイバー１０の入力部分と比較して小さいので、背景光線２８の部分が防止される。特に、遠方の物体の測定の場合、背景光線２８の大きな部分がダイアフラム１２により防止され、その結果、物体の測定中、有効信号・背景ノイズ比SNRが、光線選択手段を持たない装置と比較して、或る距離から大きくなる。そのため、近接範囲で信頼性よく迅速な測定が可能となり、遠方の物体の測定で距離の範囲を拡大することができる。
【００４８】
一点鎖線で示される第２の曲線SNR-2は、知られた装置を改造したものにより、本発明の図１−５の装置と対照的で、ダイアフラム１２は備えておらず、入力部分の上流に、図１の太い光ファイバー１０と同等の一つの光ファイバーを備える。この改造された装置で、指向性の反射をする物体を１メートル以下で距離を測定するのが、同等の有効信号・背景ノイズ比SNRで、信頼性がよく、便利にできる。対照的に、或る距離ｄ以上の物体の測定の場合、ダイアフラム１２がないので、有効信号・背景ノイズ比SNRは低下し、その結果、物体の最大測定可能距離が低下する。
【００４９】
破線で示される第３の曲線SNR-３は、さらに改造された距離測定装置によるもので、改造された装置と対照的に、比較的細い円柱光ファイバーを備える。細い光ファイバーの直径は、図６の比較グラフのため、選択され、図３の太い光ファイバー１０の入力部分のダイアフラム１２で覆われない部分に対応している。
【００５０】
二つの実施例と比べて、直径が小さいので、近接の物体による反射はより少ない光線が細い光ファイバーに入力される。短い距離の方向にだんだんと落ちていく第３の曲線SNR-3は、１メートル以下の距離での物体の測定は不可能である。光線が中央反射要素により妨害され近接の物体により反射されるので、小さな拡大の細い光ファイバーは、近接の物体の測定に不利である。遠方の物体の測定の場合は、第３の曲線SNR-３は、本発明による装置の第1の曲線SNR-1のある距離と対応する。従って、遠方の物体には信頼性よく、効率的に測定ができる。
【００５１】
さらに、本発明によるダイアフラム１２と太い光ファイバー１０を有する装置は、二つの改造の装置と比べて、近接から遠方の距離のことなる物体に対し信号変化が小さいことである。これは、近接から遠方の物体の間の変化範囲において適用される。この小さな違いで、選択した光線を電気信号に変換するより簡単な電子光学素子が使用可能となる。
【００５２】
図７は、図５と対応して、４つの異なる平面図の比較を示し、ず１のコーナーキューブプリズム８とではなく、図５と対照的に散乱の反射をする通常粗い表面を有する物体との距離を測定する本発明により装置で、図５と対応し、物体を装置からそれぞれ距離を置いたものであり。
【００５３】
それぞれの平面図において、粗い表面にて散乱して反射して集光されたレーザービームは、図３の焦点面２０内でダイアフラム１２に焦点をあわせられる。非平行光線束の形の図１のレーザービーム１は、粗い表面で散乱して反射されるので、散乱して反射され集光されたレーザービームの投射像は、外側も内側の端部で散光でぼやけた境界となる。
【００５４】
第１の平面図は、図５に対応し、図１の約１メートルの短い距離ｄを基にしている。散乱のある反射されたレーザービームは、図３、４の破線の円形線３１で囲まれた範囲を、中心に矩形の凹部なしに集中光線のため、満たす。粗い表面により反射され、中央反射要素を通過できる多くのレーザービームは、入力部分に入り、選択され、それで、短い距離が信頼性よく、迅速に測定される。
【００５５】
自然な粗い表面を有する物体との距離を多く選択するほど、矩形の凹部を有する反射されたレーザービームの像が小さくなり、図５と比較しても小さい。
【００５６】
第４の平面図は、１００メートル以上の長い距離を基にしている。反射され集光されたレーザービームの断面は、焦点面内で、受信装置側で、点のような範囲３５を形成するだけで、それは、数ミクロンの範囲の直径を有し、中心にほとんど凹部はない。
【００５７】
指向性の反射をする物体の測定を最大限利用するダイアフラム開口１３の形状は、はじめに近接、遠方物体の間で電気信号の変化を減少し、次に近接物体の測定の安全性と信頼性に効果のあるよう、散乱のある反射をする物体の計測の場合でも、可能とする。図７の第1の平面図からわかるように、距離の減少に伴い増大する覆いは、ダイアフラム開口１３の二つの広い部分で部分的に補償することができる。
【００５８】
入力部分の方向に投射された集光された背景光線２８は、ダイアフラム開口１３を取り囲む図３のダイアフラム１２により遮断され、光ファイバー１０の入力部分に入ることはもはできなくなる。従って、散乱を有し反射したレーザービームと背景光線の比率は、散乱で反射する物体の測定の場合においても、ダイアフラム１２を介し増大することができる。これは、特に、遠方の物体の測定に有利である。
【００５９】
図８は、斜視図で、光線束の光線を選択するための図２の投射された光線束の概略部分と、本発明による装置の第２の手段とを示す。図２の太い光ファイバー１０と入力部分の上方で図２のダイアフラム１２の場所に配置された円柱レンズ３６とが、投射された光線束の断面の第２の断面範囲３７の第２の光線選択手段を形成する。第２の断面範囲３７は、装置により放射され、物体により反射されたレーザービーム３と、対物レンズ２により集光された図１の背景光線とを含む。光ファイバー１０の入力部分は、円柱レンズ３６とその焦点との間に配置されることが有利である。
【００６０】
ここでは示さない投射された光線束の一部は、円柱レンズ３６を通り抜けるあるいはそのレンズに当るが、光ファイバー１０の入力部分を外す。概略的にしめされた投射光線束の他の部分は、円柱レンズ３６に当り、入力部分の方向に屈折され、光ファイバー１０に入ることができ、受信装置に伝送することができる。円柱レンズ３６と光ファイバー１０のこのような組み合わせにより、光線束の断面の中心範囲からの光線は、集光され投射された光線束から、選択可能となる。
【００６１】
第２の手段により選択された第２の断面範囲３７は、それの縦の伸びを超える一つの一定の寸法を有する長い形状を持つ。二つの端部は、円柱光ファイバー１０による丸い部分をそれぞれ備える。投射光線の入射角度に加え、断面範囲３７の幅の長さ、寸法は、円柱レンズ３６の屈折力と、光ファイバー１０の直径により決定される。
【００６２】
第２の断面範囲３７は、図４の第１の断面範囲３４と比較し、中間に第１の部分５と、二つの端部のそれぞれに第２の部分６を備える。図４と対照的に、二つの第２の部分６は、第１の部分５と同じ寸法を有している。
【００６３】
本発明による装置の形式によると、二つの第２の部分を以上を有する選択された断面範囲は、有利である。例えば、それは、星型、あるいは、第１の部分の周りの４つの葉のクローバーの形に配置される。
【００６４】
図９は、本発明による、距離測定装置の第３の光線選択手段を斜視図で示す。
【００６５】
光ファイバー１０と、光捕捉部として作用し、入力部分の上方で円柱レンズ３６の場所に配置されたガラスあるいは光透明プラスチックを備えるファンネル状部品３８は、集光された光線束の断面範囲の第３の光線選択手段を形成する。ファンネル状部品３８の入力側は、図２のダイアフラム１２に対応するように、本発明による装置の受信装置側の焦点面２０に配置される。ファンネル状部品３８は、選択として、少なくとも部分的にメタライズすることができる。ファンネル状部品３８により選択された断面範囲は、図４の第１の断面範囲に対応するので、図３のダイアフラム１２と同等な効果を有する。
【００６６】
図１０は、本発明による装置の第４の光線選択手段を斜視図により示し、その手段は、ファンネル形状を与えるよう同時に絞られた光ファイバーの端部３９により形成される。同時に絞られ変形した端部３９の入力部分は、本発明による装置において、図２のダイアフラム１２に対応して、受信装置側の焦点面２０に配置される。変形された入力部分の形状と、ダイアフラム開口１３のあるいは図９のファンネル状部分３８の入力側の形状は、同様の効果を有する。
【００６７】
図１１は、図１に対応し、指向性の反射をする物体と二軸基本形式の本発明による距離測定装置とを備える測定配列を示す。
【００６８】
図１のように、測定は、コーナーキューブプリズム８の形で、指向性の反射をし、装置から可変の距離ｄにある物体に為される。ここで、物体は、図１のように、同時に測定される。この装置は、コーナーキューブプリズム８の反射中心が、装置により変調され放射されるレーザービーム１の光線束の軸上に存在するように、コーナーキューブプリズム８と調整される。
【００６９】
ここで、二軸装置は、光線を集光するための対物レンズ２と、第５の光線選択手段の形式の受信装置と、矩形の開口を有する更なる対物レンズ４１と、レーザーダイオード２５とを備える。
【００７０】
さらに、変調されたレーザービームを生成するためのレーザーダイオード２５の放射領域が、対物レンズ４１の前に配置され、その結果、放射されたレーザービーム１が、（図１の非平行光線束に対応した）非平行、事実上、広がる光線束の形でコーナーキューブプリズム８に投射される。
【００７１】
コーナーキューブプリズム８により反射されたレーザービーム３の少なくとも一部と背景光線２８を含む光線が対物レンズ２により集光される。コーナーキューブプリズム８により反射されたレーザービーム３は、非平行光線束の形で存在する。集光された光線は、受信装置７の方向に投射され、その受信装置７は、対物レンズ２の焦点面２０の近くに配置される。
【００７２】
図１の装置の場合のように、非常に近接した距離ｄにある物体の測定のときに問題が起こり、しかし、それは二軸装置の視差による。
【００７３】
図１２は、図１１の第５の光線選択手段と、近接の物体により指向性反射をした集光された光線束の像との拡大詳細の側面図である。受信装置７は、有効検出範囲４２を有する検出器４０を備える。ここで、凝集検出範囲４２は、漸進的に長さが広がるトランペット状の形を有する。
【００７４】
図１１に示すように、近接のコーナーキューブプリズム８により反射されたレーザービーム３の主要な部分は、対物レンズ２により集光できないので、反射のレーザービーム３は、狭く、鮮明な境界の円形部４３を形成し、それは、多数のドットにより図的に示されている。更なる対物レンズ４１の矩形の開口により、放射レーザービーム１の光線束は、矩形の断面であり、それは、円形部分４３の真っ直ぐな境界線を生じさせる。丸い境界線は、対物レンズ２の円形の開口に拠っている。
【００７５】
しかし、図１１によると、背景光線２８は対物レンズ２を介し集光され、受信装置７の方向に投射される。この光線が、受信装置７の全部の表れている部分に当る。コーナーキューブプリズム８により反射されたレーザービームに加え、その有効検出範囲に焦点が合わされた背景光線２８が検出される。
【００７６】
検出範囲４２を介した、有効検出範囲４２と同等な光線束の断面範囲からの光線は、図１１の本発明による装置により集光された光線束から選択される。集光された光線束のこの部分だけが、受信装置７により電気信号に変換される。この動作では、選択された光線を有する断面範囲が、検出範囲４２に対応する。
【００７７】
ここで、断面範囲は、一つの端部に第１の部分５を、他の端部に第２の部分６を有する。遠方のコーナーキューブプリズム８により反射されたレーザービーム３は第１の部分５内に置かれ、一方、近接のコーナーキューブプリズム８により反射されたレーザービーム３は第２の部分６内に置かれる。第２の部分６は、第１の部分５よりも大きな寸法を有し、非常に近接したコーナーキューブプリズム８で集光された図１１のわずかな反射レーザービーム３が検出可能となる。
【００７８】
図１３、１４は、図５、７の比較の場合に対応した比較を示している。図１の一軸基本形式の装置の光線選択手段の平面図の代わりに、図１３、１４は、図１１の二軸基本形式の装置の光線選択手段の平面図を示している。
【００７９】
図１３の平面図は、図１１のコーナーキューブプリズム８による指向性の反射をされたレーザービーム３の鮮明な境界の像を示している。一方、図１４の平面図は、自然な粗い表面による散乱のある反射をされたレーザービーム３のぼやけた像を示している。
【００８０】
図１３の第１の平面図は、図１１の放射レーザービーム１の非平行光線束の矩形の断面に対応した矩形のフレーム４４を示している。受信側の対物レンズ２と伝送側の対物レンズ４１の間の距離により、指向性の反射をされた集光レーザービーム３は、円形の対物レンズ２のエッジにより限定され、短い距離では、円形の部分４３だけが図１２の受信装置７に投射される。
【００８１】
第１の平面図を基にした、約１メートルの距離ｄの場合、円形の部分４３は非常に狭い。本発明によると、検出範囲４２はこの範囲を広く覆っているので、コーナーキューブプリズム８により反射された十分なレーザービーム３が、信頼性よく、迅速な測定が可能となるよう、検出される。
【００８２】
第２の平面図を基にした、約５メートルの距離ｄの場合、円形の部分４３は、広がり、図１１の放射レーザービーム１の光線束の軸の方向に移動する。その結果集光の量が増大し、反射されたレーザービーム３は、同じ方向で減少する検出範囲４２の寸法により部分的に補償できる。
【００８３】
第３の平面図を基にした、約２０メートルの距離ｄの場合、反射されたレーザービーム３の像は、既に、円形範囲全体を形成している。
【００８４】
第４の平面図を基にした、約１００メートルの距離ｄの場合、反射されたレーザービーム３の像の位置は、さらに距離ｄが大きくなっても、もはや移動しない。全て集光した、反射されたレーザービーム３は、最小の寸法で、検出範囲４２の部分に当る。より大きな距離の場合、変換された電気信号は、増大する距離の二乗で減少する。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】指向性の反射をする物体と、望遠鏡に同軸に一体化された一軸基本形式の本発明による装置を有する測定配置の概略を示す側面図である。
【図２】図１の装置の光線の第1の選択手段と投射された光線の束の拡大詳細側面図である。
【図３】図２の第1の選択手段の拡大詳細平面図である。
【図４】投射された光線の束を通る断面図である。
【図５】図３に対応する、指向性の反射をする物体との異なる距離を基にして比較した4つの平面図である。
【図６】距離の関数として、三つの異なる装置の電気信号の有効信号・背景ノイズの比の比較の図表である。
【図７】散乱のある反射をする物体との異なる距離の場合の図３に対応する４つの平面図の比較を示す。
【図８】光ファイバーの入力部分の前に円柱レンズを備える二つの光線選択手段を示す。
【図９】光ファイバーの入力部分の前に光収集ファンネルを備える第３の光線収集手段を示す。
【図１０】光ファイバーの圧縮された端部を有する第４の光線選択手段を示す。
【図１１】指向性の反射をする物体と、二軸基本形式の本発明による二軸装置を有する測定配置の概略を示す側面図である。
【図１２】図１１の装置の第５の光線選択手段の拡大詳細平面図である。
【図１３】指向性の反射をする物体とのそれぞれ異なる距離の場合に、図１１に示す装置の受信対物レンズの焦点面内の検出器の４つの平面図の比較を示す。
【図１４】散乱のある反射をする物体とのそれぞれ異なる距離の場合に、図１１に示す装置の受信対物レンズの焦点面内の検出器の４つの平面図の比較を示す。
【図１】
2007514942.tif 000003
【図２】
2007514942.tif 000004
【図３】
2007514942.tif 000005
【図４】
2007514942.tif 000006
【図５】
2007514942.tif 000007
【図６】
2007514942.tif 000008
【図７】
2007514942.tif 000009
【図８】
2007514942.tif 000010
【図９】
2007514942.tif 000011
【図１０】
2007514942.tif 000012
【図１１】
2007514942.tif 000013
【図１２】
2007514942.tif 000014
【図１３】
2007514942.tif 000015
【図１４】
2007514942.tif 000016
【国際調査報告】
2007514942.tif 000017
2007514942.tif 000018
2007514942.tif 000019
2007514942.tif 000020
2007514942.tif 000021
2007514942.tif 000022
2007514942.tif 000023
2007514942.tif 000024