(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光送信機（１）と、光受信機（２）と、受信路に配置された光減衰器（１１）と、光信号の送信と受信との間の光走行時間を測定する時間測定ユニット（１３）とからなり、単一ビームパルスレーザ距離計を含む距離測定装置であって、
前記光送信機は、単一且つ小型の送信機モジュール（１）として形成され、前記送信機モジュール（１）の内部に、半導体レーザ（１７）と、前記半導体レーザ（１７）用の接続素子（１８）と、基準パルスを分離する装置（１９）と、送信光を送信側光伝導ファイバ（４）へと連絡するファイバプラグコネクタ（２０，２１）とが集積され、
前記光受信機は、単一且つ小型の受信機モジュール（２）として形成され、前記モジュール（２）の内部に、フォトダイオードと、前記フォトダイオード用の接続素子と、前記基準パルスを結合する装置と、受信側光伝導ファイバ（１０b）を介して生じた受信光の接続用のファイバプラグコネクタとが集積されており、
前記送信機モジュール（１）と前記受信機モジュール（２）とは、前記基準パルスが前記送信機モジュール（１）から前記受信機モジュール（２）に光伝導ファイバを経由せずに直接伝達されるように配置されていることを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
前記送信機モジュール及び前記受信機モジュール（１，２）は、容積が１cm3よりも小さい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】
少なくとも１つのレンズ（２２）が前記基準パルスの分離・結合装置（１９）の少なくとも前方及び後方の一方において前記送信機モジュール及び前記受信機モジュール（１，２）に集積されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の距離測定装置。
【請求項４】
前記送信機及び受信機モジュール（１，２）は、ハウジング（１６）を有し、前記ハウジングの内部に、前記モジュール（１，２）の各部品（１７，１９，２１，２２）が保持されていることを特徴とする請求項３に記載の距離測定装置。
【請求項５】
前記ハウジング（１６）は、前記基準パルスの分離または結合用の開口（２３）を有することを特徴とする請求項４記載の距離測定装置。
【請求項６】
前記基準パルスの分離・結合装置は、各モジュールに集積されたビームスプリッタ（１９）によって実現されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の距離測定装置。
【請求項７】
前記ビームスプリッタ（１９）の透過率は、９０％以上であることを特徴とする請求項６記載の距離測定装置。
【請求項８】
前記送信機モジュール（１）の前記半導体レーザ（１７）は、パルス持続時間が１−５０ｎｓであり、電力が１−５０Ｗであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の距離測定装置。
【請求項９】
前記受信機モジュール（２）の前記フォトダイオードは、帯域幅が２０−５００ＭＨｚのアバランシェフォトダイオードであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の距離測定装置。
【請求項１０】
前記時間測定ユニット（１３）は、ｐｓオーダの時間を測定するように設計されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の距離測定装置。
【請求項１１】
前記時間測定ユニットは、２つの別々の時間測定装置からなることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の距離測定装置。
【請求項１２】
前記光減衰器（１１）は、受信光学系（９）と前記受信機モジュール（２）との間の受信路に配置されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれかに記載の距離測定装置。
【請求項１３】
前記光減衰器（１１）は、基準信号と受信信号とが同一の振幅及び同一のパルス幅を有するように設定することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれかに記載の距離測定装置。
【請求項１４】
前記基準信号及び受信信号のパルス幅は前記時間計測ユニット（１３）によって測定され、前記光減衰器（１１）は両者のパルス幅が同一になるまで調整されることを特徴とする請求項１３記載の距離測定装置。
【請求項１５】
前記光送信機の各パルス送信の環境において、前記基準パルス及び受信パルスの時間間隔と、前記基準パルス及び受信パルスのパルス幅とが測定され、前記光減衰器（１１）によって調節されて同一のパルス幅を生成することを特徴とする請求項１４記載の距離測定装置。
【請求項１６】
前記基準パルス及び受信パルスのパルス幅は、前記光送信機の第ｎ番目のパルス送信毎に測定され、パルス幅が一致しないとき、前記光減衰器（１１）によって調整されて同一のパルス幅を生成することを特徴とする請求項１４記載の距離測定装置。
【請求項１７】
１００よりも大なるｎが使用されることを特徴とする請求項１６記載の距離測定装置。
【請求項１８】
前記基準パルス及び受信パルスの時間間隔の測定と、前記基準パルス及び受信パルスのパルス幅の測定とは、２つの別々の時間測定装置を使用して行うことを特徴とする請求項１６及び請求項１７の一方に記載の距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、距離測定装置に関し、特に、光送信機と、光受信機と、送信あるいは受信路に配置された光減衰器と、光信号の送信及び受信の間の光走行時間を測定する時間計測ユニットとからなる単一のビームパルスレーザ距離計に関する。
【０００２】
【背景技術】
指定された種類の周知の距離測定装置は、相当なコストにおいて生産されることが頻繁である。特に、周知の距離測定装置は、多くの用途で望ましい精度で常に稼働するわけではない。
【０００３】
【発明の目的】
本発明の目的は、製造コストが減らされ、製造時の測定精度と正確な再現性とが特に増やされるように、初めに指定した種類の距離測定装置を開発することである。
【０００４】
【発明の概要】
上記目的は、本発明により満たされる。この装置において、光送信機は、単一のコンパクトなモジュールとして形成され、内部に、半導体レーザと、半導体レーザ用の接続素子と、基準パルスと結合する装置と、送信光の光ファイバに結合するファイバプラグコネクタとが、集積されている。さらに、光受信機が同様に単一のコンパクトなモジュールとして同じく形成され、内部に、フォトダイオードと、フォトダイオード用の接続素子と、基準パルスと結合する装置と、光伝導ファイバを介して生じる受信光のカプリング用のファイバプラグコネクタとが、集積されている。
【０００５】
本発明の距離測定装置は、送信光の生成と、基準パルスのカプリングと、送信光のガラスファイバへのカプリングとに要するすべての部品は、単一の小型のモジュールへと組み立てられるという特徴を有する。同じように、受信光のカプリングと、基準パルスのカプリングと、結合した光信号の電気信号への変換は、単一のコンパクトな受信機モジュールへと組み立てられている。
【０００６】
これらの２つのモジュールの使用は、簡単な取扱いとより高速の設置に有効である。同時に、距離測定装置の構造上の大きさを減らすことができる。さらに、距離測定装置の設置中の複雑な調整の作業が割愛される。何となれば、送信機モジュール及び受信機モジュールの光学部品が、これらのモジュールの中で互いにすでに確実に調節されているので、距離測定装置の設置の間に、さらなる作業をこの点に関してもはや必要としないからである。
【０００７】
本発明によれば、光送信機及び光受信機の両者に、それぞれファイバプラグコネクタが装備されているので、距離測定装置の光学系は、容易にその電子回路から分離することができる。光学系と電子回路との間の接続は、ファイバプラグコネクタに接続される光伝導ファイバによって簡単な方法で生成される。
この光学部品及び電子部品の分離は、本発明の距離測定装置が例えば電子部品の存在が問題になる爆発の危険が存在する領域で使用される場合に、特に有効である。このような用途において、光学系は、爆発の危険にさらされた領域に配置することができ、電子部品はこれらの領域の外に配置することができる。
【０００８】
本発明の好ましい実施例において、送信機モジュール及び受信機モジュールを単一のモジュールに組み込むことができる。この場合、有効な方法により、一方に対して他方のモジュールを調節することがもはや必要でないので、送信機モジュールに接続された基準パルスが、受信機モジュールに正確に接続される。何となれば、単一のモジュールに両方のモジュールを結合すると直ちに、基準パルスの正しいカプリングが保証されるように、各部品がすでに配列されているからである。
【０００９】
本発明の距離測定装置の特に有効な小さい構造上の大きさは、送信機モジュールあるいは受信機モジュールが、１cm3より小さい、好ましくは０.５cm3より小さい容積、特におよそ０.２cm3の容積を有するとき、達成される。
少なくとも１つのレンズ、特にコリメータレンズが、基準パルスを分離・結合する装置の前方または後方において送信機モジュール・受信機モジュールに集積されている。好ましくは、唯一のコリメータレンズが、送信機モジュール及び受信機モジュールの両者において、基準パルスの分離・結合装置の前方及び後方の両方に設けられる。
【００１０】
本発明の送信機モジュール・受信機モジュールは、ハウジング、特にステンレス鋼からなるハウジングを有し、このハウジング内部に、各モジュールの関連する部品が保持されている。このハウジングには、基準パルスを分離・結合する開口が好ましくは設けられ、故に、基準パルスは、例えば送信機モジュールから受信機モジュールへと直接接続することができる。その結果、光伝導ファイバが基準パルスの送信のために不要となり、かかる光伝導ファイバや偏向ミラーによって基準パルスを送信することが基本的に可能になる。
【００１１】
基準パルスの分離・結合装置は、各モジュールに集積されたビームスプリッタによって有利な方法で実現される。なお、本発明において「ビームスプリッタ」は、「ビームを分割するミラー」と同義で使用するものとする。このビームスプリッタがいずれの場合も高い透過率を有する時、好ましい。ビームスプリッタの透過率を、９０％以上、特に９５％、特に９７％と９９％との間の数値にすることができる。この種の高い透過率によって、距離測定用に機能する光パルスの送信及び受信の間のエネルギ損失を有効な方法で最小にすることができる。
送信機モジュールの半導体レーザは、１−５０ns、好ましくはおよそ３nsの持続時間を有し、１−５０ワット、好ましくはおよそ１０ワットの電力のレーザパルスを生成するよう設計されている。
【００１２】
受信機モジュールのフォトダイオードは、２０−５００MHzの帯域幅、好ましくはおよそ２００MHzの帯域幅を有するアバランシェフォトダイオードとして好ましくは形成されている。本発明の距離測定装置は、使用される時間測定ユニットがpsのオーダで時間を測定するように設計されている時、特に、測定予定の距離の正確な測定を行うことができる。時間測定ユニットが、１９９７年１月３１日に出願され「Verfahren zur Bestimmung eines Zeitintervals zwischen zwei Ereignissen（２つの物体の間の時間の測定方法）」（ファイルリファレンス番号：Ｓ６３２０）と題された本出願人のドイツ国特許出願書のとおりに設計されている時、好ましい。
【００１３】
本発明の特に費用効果のあるバージョンの距離測定装置は、わずか２つの別々の時間測定装置が時間間隔を測定する時間測定ユニットの環境で使用される時、達成される。これを以下に記載する。
光減衰器が光受信システムと受信機モジュールとの間で距離測定装置の受光路に配置される時、有効である。この場合、距離測定装置が常時全送信電力で稼働できることが保証される。何となれば、減衰が送信路で生じないからである。
【００１４】
光減衰器は、モータ駆動のダイヤフラム、特にモータ駆動のカムディスクや絞りダイアフラムとしてとして形成されている。同様に、光減衰器をマイクロ・機械モジュールとして実行することができる。これ故に、複数の特別な実施例が実現される。
かかるマイクロ・機械モジュールの好ましい実施例は、光減衰器が機械セッタ、特にダイヤフラムの移動用のピエゾ・機械セッタを含むとき、存在する。このピエゾ・機械セッタは、対向するガラスファイバの２つの端部の間に配置される。
【００１５】
指定されたマイクロ・機械モジュールのさらなる好ましい実施例は、光減衰器からなる。この光減衰器は、互いに対向配置された２つのガラスファイバ端部を変化させる機械セッタ、特にピエゾ・機械セッタを含む。
本発明の距離測定装置の特に障害の無い動作は、例えば基準信号及び受信信号が同じ振幅及び同じパルス幅を有するように、光減衰器が設定される時、可能となる。
【００１６】
この点に関して、基準信号及び受信信号のパルス幅は、２つのパルス幅が同じ大きさとなるまで、光減衰器を調整しながら時間計測ユニットによって測定することができる。原則として、２つの異なった方法は、基準信号と受信信号のパルス幅や振幅の調整のためにそれ自身を提供する。
一方、各送信機パルス送信という環境で、基準パルスと受信パルスの時間間隔と、基準パルス及び受信パルスのパルス幅とを測定することができる。パルス幅が非類似の場合、光減衰器は、同じパルス幅が送信機の次のパルス送信において検出されるまで、調整される。
【００１７】
他方、送信機の各第ｎ番目のパルス送信に対してのみ、基準パルス及び受信パルスのパルス幅を測定することができる。さらに、パルス幅が等しくないと、光減衰器は、同じパルス幅を生成するように調節される。この場合、ｎは例えば１００よりも大きく、特におよそ１０００と等しい。
基準パルス幅と受信パルス幅とが、送信機の第ｎ番目のパルス送信に対して測定される時、基準パルスと受信パルスとの時間間隔の測定と前記パルス幅の測定とが、２つの時間測定装置を使用して行うことは、有効である。この測定装置は、本発明の距離測定装置を経済的に生産する可能性に対して正の効果を有する。
【００１８】
本発明のさらなる好ましい実施例を各請求項にて明らかにする。
【００１９】
【実施例】
本発明を、実施例と図面とを参照しながら以下に説明する。
図１は、送信機モジュール１と受信機モジュール２とを備えた本発明による距離測定装置のブロック回路図を示す。送信機モジュール１の詳細な構成は、図２を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
送信機モジュール１は、制御回路３によって給電され、この制御回路３は、送信機モジュール１において送信光パルスの生成を生ぜしむる有効なパルス状電気信号を作成する。
送信機モジュール１で生成される光パルスは、ガラスファイバ４を介してユニット５に通過する。ユニット５において、光信号の遅延とモードミキシングとが生成される。次に、ユニット５の出力信号は、送信レンズ６を通過する。レンズ６から、送信光パルス７が、図１に図示せぬ反射物体の方向に送信される。
【００２１】
この物体は、距離測定装置に、送信パルス７を受信パルス８として反射する。距離測定装置において、受信パルス８は、受信レンズ９を介して光伝導ファイバ１０へと連絡される。
光伝導ファイバ１０は、光減衰器１１の領域で遮断される。光減衰器１１によって、光伝導ファイバの領域１０aから光伝導ファイバの領域１０bへと通過する光量を設定することができる。
【００２２】
受信光は、光伝導ファイバの領域１０bを経て受信機モジュール２まで通過する。受信機モジュール２は、受信光から対応する電気信号を生成して、トランスインピーダンス増幅器１２にこれを案内する。
トランスインピーダンス増幅器１２の出力信号は、時間計測評価ユニット１３に印加される。時間計測評価ユニット１３は、ユニット１３に供給されるパルスの時間間隔を計算することができる。これらの時間間隔から、時間計測評価ユニット１３は、距離測定装置と反射物体との間の距離に関する結果を引き出す。
【００２３】
基準光ビーム１４は、送信機モジュール１から分離され、偏向されずに且つ受信機モジュール２へと光伝導ファイバを使用せずに、直接連絡される。
時間計測評価ユニット１３は、モータ１５によって作動し、光減衰器１１を制御するように設計されている。
ユニット１３によって受信された基準パルス１４のパルス幅が、光導電ファイバ１０a、１０bを介して受信された受信パルスのパルス幅と一致しない時、モータ１５による光減衰器１１の制御が、常にトリガされる。モータは、２つの前記パルス幅が一致するまで、ユニット１３によって給電される。
【００２４】
図２に、送信機モジュール１の構成を詳細に示す。
半導体レーザ１７が、ステンレス鋼からなるほぼ円筒状のハウジング１６にて一端面に埋設されている。半導体レーザ１７は、ハウジング１６から離れた側部に２つの電気接続接点１８を有する。
ハウジング１６において、ビームスプリッタ１９が、半導体レーザ１７の光軸の領域にて光軸に対して４５゜の角度に配置されている。ビームスプリッタ１９は、前述の如く、透過の度合いが非常に高く、故に、半導体レーザ１７の光軸に沿って延在する光は、ビームスプリッタ１９によって反射されずに大部分が透過できる。
【００２５】
半導体レーザから離れたビームスプリッタ１９の側部に、ファイバプラグコネクタ２１用のマウント２０が設けられている。このファイバプラグコネクタ２１は、半導体レーザ１７によって生成された光を光伝導ファイバ４へと連絡する。
いずれの場合も、コリメータレンズ２２が、ビームスプリッタ１９とファイバプラグコネクタ２１との間と、ビームスプリッタ１９と半導体レーザ１７との間とに、設けられている。
【００２６】
ハウジング１６には、ビームスプリッタ１９の領域に開口２３が設けられ、このミラー１９を介して、半導体レーザによって送信された光の一部が基準パルスとして分離される。故に、開口２３は、半導体レーザ１７の光軸とは垂直に伸張する。
半導体レーザ１７と、ビームスプリッタ１９と、コリメータレンズ２２とは、ハウジング１６に頑丈に接続され、ファイバプラグコネクタ２１は着脱可能にハウジング１６に接続されている。
【００２７】
受信機モジュール２は、図２に示す送信機モジュール１と同様に組み立てられている。違いは、半導体レーザ１７の代わりに、対応して設計されたフォトダイオードが使用され、ビームスプリッタ１９が図２で示す位置に対して９０゜に配置され（図１参照）、開口２３は図２に示すようにビームスプリッタ１９の下方ではなく、図１から分かるように、むしろビームスプリッタ１９の上方に配置されている。
【００２８】
図３は、図１の時間計測評価ユニット１３によって受信されるパルスを示す。
まず最初に、基準パルス１４（図１）が受信される。時刻T１において、この基準パルス１４は、あらかじめ設定された検知しきい値を超え、次に、時刻T２において、この検知しきい値以下に落ちる。
次に、ユニット１３は、光走行時間の分だけ時間に関して変化した受信パルス８（図１）を受信する。この送信時間は、送信レーザパルス７（図１）が距離測定装置から反射物体まで往復するのに必要な時間である。時刻T３において、受信パルスは、先の検知しきい値を超え、時刻T４において、検知閾値以下に落ちる。
【００２９】
このように、光走行時間は時間差(T３-T１)に相当する。
もし受信パルス８が、図３のパルス２４によって示すように、あまりにも高い振幅、または、あまりにも長いパルス幅を有する場合、モータ１５が、時間計測評価ユニット１３を介して動作状態に設定され、光減衰器１１が設定されて、受信パルス２４が基準パルス１４と同じ振幅あるいは同じパルス幅を有するように減衰される。
【００３０】
受信パルスの振幅の調整は、受信パルスのパルス幅がその振幅よりも測定されるように好ましくは行われる。故に、基準パルスのパルス幅は差（T２−T１）に相当し、受信パルスのパルス幅は差（T４−T３）に相当する。光減衰器は、２つの差(T２-T１)、(T３-T４)が同じ大きさになるように設定されなければならない。
図４及び図５は、マイクロ・機械モジュールとして形成された光減衰器の２つの実施例を示す。図４は、ピエゾ・機械セッタ２５を示し、このセッタは、一端部に強固に取り付けられていて、電圧の印加によって矢印Ａの方向へ曲げられる。
【００３１】
ピエゾ・機械のセッタ２５の自由端に、下方突出ダイヤフラム２６が設けられ、このダイアフラムは、対向配置された２つのレンズ２７a、２７bの間に延在する。レンズ２７a、２７bは、いずれの場合も、２つのガラスファイバ３２a、３２bの端部の近傍に離間配置され、２つのガラスファイバ３２a、３２bの互いに対向する端部面の光学的有効領域を拡大している。２つのレンズ２７a、２７b及びガラスファイバ３２a、３２bは、強固に且つ不動に取り付けられている。
【００３２】
ピエゾ・機械のセッタ２５の湾曲によって、ダイアフラム２６を、２つのレンズ２７a、２７bの間の領域に対して出し入れすることができる。このようにして、一方のファイバ３２aから他方のファイバ３２bまで送信される光の減衰を、選択的に行うことができる。
ダイヤフラム２６を使用する代わりに、水平にアライメントされたガラスファイバ体を使用することができる。このファイバ体は、セッタ２５によって、２つのレンズ２７a、２７bの間や、ガラスファイバ３２a、３２bの２つの端部の間で鉛直方向に上下動することができる。
【００３３】
光減衰器の他の実施例を図５に示す。
図５において、ピエゾ・機械設定装置２５が存在し、端部が強固に取り付けられている。
ガラスファイバ２８は、一端部が頑丈に取り付けられて、ピエゾ・機械のセッタ２５とほぼ平行に延在する。ガラスファイバ２８及びピエゾ・機械のセッタ２５は、適切な手段２９によってそれらの自由端部の領域にて１つに接続されている。
【００３４】
ピエゾ・機械セッタ２５は、電圧の印加によって矢印Ａの方向に沿って曲げられる。
さらなるガラスファイバ３１が、ガラスファイバ２８の自由端部と対向して配置され、頑丈且つ不動状態に取り付けられている。レンズ３３が、ガラスファイバ３１の端部近傍に離間配置され、ガラスファイバ３１の端面の光学有効領域を拡張している。
【００３５】
ピエゾ・機械のセッタ２５の湾曲によって、ガラスファイバ２８の自由端部が、レンズ３３の領域から移動する状態が得られ、故にガラスファイバ２８からガラスファイバ３１へと送信される光量を選択的に減少させることができる。
レンズ３３によるガラスファイバ３１の端面の有効領域の拡張は、光減衰器の設置中に調整作業を容易に実行することができるために、有効である。レンズ３３の代わりに、ガラスファイバ２８より断面が大きいガラスファイバを同様に使用することができる。調整に要する労力は、このようにして減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による距離測定装置の構成図である。
【図２】送信機モジュールの拡大図である。
【図３】基準パルス及び送信パルスの関係を示す。
【図４】マイクロ・機械モジュールとして構成される光減衰器の第１実施例を示す。
【図５】マイクロ・機械のモジュールとして構成される光減衰器の第２実施例を示す。
【符号の説明】
１  光送信機
２  光受信機
４  光伝導ファイバ
１０ｂ  光伝導ファイバ
１１  光減衰器
１３  時間測定ユニット
１７  半導体レーザ
１８  接続素子
１９  基準パルス分離装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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