(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相またはパルス変調原理にしたがい区間に沿って行われる測定に対する分散の影響を求める装置であって、
少なくとも２つの搬送波波長を有する電磁ビームを放射する手段（１，２，３，４）と、
前記の少なくとも２つの搬送波波長を受光する手段（７，８，９）と、
前記の相異なる少なくとも２つの搬送波波長の走行時間を前記区間に沿って測定する手段（１０）と、
当該測定した少なくとも２つの走行時間から、前記測定に対する分散の影響を計算する手段（１１）とを有する形式の、測定に対する分散の影響を求める装置において、
前記の放射の手段（１，２，３，４）を構成して、当該手段によって、
少なくとも１つの第１の半導体レーザ（２）の形態で、第１の搬送波波長が赤外線または赤の波長領域にて放出され、
少なくとも１つの第２の半導体レーザ（３）の形態で、第２の搬送波波長が紫の波長領域にて放出され、
前記の第１の搬送波波長および第２の搬送波波長は、当該の第１の搬送波波長および第２の搬送波波長に対して同じクロマチックな焦点シフトが生じるように選択されており、
当該の第１の搬送波波長および第２の搬送波波長に対して共通の光学系および受光する手段（７，８，９）を用いることを特徴とする、
測定に対する分散の影響を求める装置。
【請求項２】
前記の分散の影響の補正を計算する手段が設けられている、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第２の搬送波波長は、３９０ｎｍ〜４２０ｎｍまたは４２５ｎｍ〜４５５ｎｍの範囲にある、
請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記の第１の半導体レーザ（２）と、第２の半導体レーザ（３）とは、同じまたは共通の電子式制御部（１）を有する、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記の第２の搬送波波長の電磁ビームは、最大でナノ秒の範囲で強度変調されている、
請求項１から４までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記の電磁ビームを受光する手段（７，８，９）は、反射エレメントを備える光学系を有する、
請求項１から５までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
少なくとも１つの搬送波波長が、
分布帰還（ＤＦＢ＝Distributed Feedback），
ＤＢＲ（＝Distributed Bragg Reflector），
ＦＢＧ（＝Fibre-Bragg-Grating）または、
ファブリ−ペロー−エタロン−ロッキング（Fabry-Perot-Etalon-Locking）によって安定化される、
請求項１から６までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
少なくとも１つの搬送波波長の温度ドリフトが前記の分散の効果に与える影響を補償する手段または当該ドリフトを回避する手段が設けられている、
請求項１から７までのいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
測地用測定装置において、
請求項１から８までにいずれか１項に記載された、分散の影響を求める装置を有すること特徴とする、
測地用測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１の上位概念に記載された、位相またはパルス変調原理にしたがい区間に沿って行われる測定に対する分散の影響を求める装置に関する。また本発明は、請求項１１に記載された使用方法、すなわち分散によって発生する距離測定に対する影響を補正するためにこの装置を使用する使用方法、ならび請求項１２に記載された測地用測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子式距離測定装置（ＥＤＭ装置）のほとんどすべてにおいて、大気のパラメタの影響が、実際の距離測定の終了後、計算による別のステップの枠内で距離補正として付け加えられる。ここで決定的な大気のパラメタは、距離測定器によって測定されるのではなく、分かれた別の機器、例えば温度計、バロメータおよび湿度計によってそれぞれ測定される。
【０００３】
電子光学式距離測定において求めた光パルスまたは任意の手法で変調された信号列の伝搬速度は、群屈折率（Gruppenbrechungsindex）ｎによって決まるる。ここで屈折率および群屈折率は、一定の量ではなく、もっぱら波長、温度、気圧、混合ガスおよびその都度の大気の湿度に依存する。
【０００４】
直接測定されかつ電子式距離測定器（ＥＤＭ）に表示される区間の長さＤ０（生測定値）は、所定の群屈折率ｎ０に関係する。付加的に測定される気象上のパラメタ、温度Ｔ、気圧ｐおよび相対的な空気湿度ＲＨに基づいて、真のグループ屈折率ｎ＝ｎ(Ｔ，ｐ，ＲＨ，…)を計算することができる。いわゆる大気の補正（１）  ΔＤ  ＝  Ｄ０・((ｎ０−ｎ)／ｎ)
を用いて真の距離Ｄを求めることができる：
（２）  Ｄ  ＝  Ｄ０＋ΔＤ
この大気の「ポストプロセッシング」（Post-Processing）手法によって、通例、約１ｐｐｍの距離測定精度が得られるが、これに対して温度Ｔおよび気圧ｐは既知でないか、または全光路長にわたって代表しない場合、測定した生の距離Ｄ０は、容易に３０ｐｐｍまたはそれ以上、真の値から偏差してしまう。
【０００５】
これに加えて均一でない地形にわたることが多くなるより長い区間では、区間端点における気象上のデータから有効な群屈折率を高い信頼性で決定することは困難である。これらのデータを区間に沿って決定する試みはこれまで成功していない。
【０００６】
測地学では、大気の屈折率の影響を自動的かつ迅速に補正することのできる、コスト的に有利な距離測定装置が望まれている。この大気の屈折率は１００ｍ〜数ｋｍの距離範囲の電気光学式距離測定において測定に決定的に影響する。このことは、位相測定原理に基づく電気光学式距離測定器に対しても、または走行時間測定原理に基づく電気光学式距離測定器に対しても共に当てはまる。大気の屈折率の影響が自動的に補正されれば、長い距離における精確な測定に対する時間および器具についてのコストを大いに低減することができることになる。
【０００７】
基本的なアイデアのうちの１つは、スペクトル的に広帯域の分散（spektral breitbandige Dispersion）を利用することであり、これは区間を、相異なる２つの波長の光または電磁ビームによって測定することによって行われる。この２色または多色の測定手法は１９７５年頃から公知である。光波またはマイクロ波領域における相異なる少なくとも２つの電磁波の波長による同時の距離測定では、大気の既知のスペクトル的に広帯域な分散の特性を用いることによって、最も重要な１つまたは複数の大気の障害となるパラメタを決定することができ、これによって最終的に距離測定を十分に補正して、通例精確にはわからない群屈折率の影響を取り除くことができる。
【０００８】
相応する理論はEdlenおよびBarrel & Searsによるスペクトル的に広帯域な公式に基づく（Rainaer Joeckel, Manfred Stober: Elektronische Entfernungs- und Richtungsmessung, Verlag Konrad Wittwerを参照されたい）。
【０００９】
２つの搬送波波長に対する区間測定結果はＤｒおよびＤｂであり、これは屈折率ｎｒおよびｎｂにそれぞれ相応する。真の距離は、距離補正に対するつぎの式にしたがって得られる：
（３）  Ｄ  ＝  Ｄｒ−(Ｄｂ−Ｄｒ)・((ｎｒ−１)／(ｎｂ−ｎｒ))
スペクトル的に広帯域な式のモデルに基づくこの２色手法の実際の問題は、分解の精度であり、ここでこの分解の精度によって区間の差分（Ｄｂ−Ｄｒ）を求めなければならないのである。
【００１０】
２つの搬送波波長が互いに離れていればいるほど、モデルパラメタ
（４）  Ｑ  ＝  ((ｎｒ−１)／(ｎｂ−ｎｒ))
は小さくかつ有利になる。
【００１１】
２つの搬送波波長が互いに十分に離れていない場合、このモデルパラメタは極めて大きく、ひいては距離補正の誤差も大きい。
【００１２】
光信号の測定に対する今日の精度限界は１％であることは公知であり、ここで信号測定の偏差に対する主な影響因子は大気の乱れである。分解の精度は、距離の長さに依存しないで作用するため、この形式の２色機器は、２ｋｍを大きく上回る距離の比較的長い距離において単色測定を潜在的に凌駕する。
【００１３】
公知の２色機器は、例えばNational Physical Laboratory 社(Teddington/UK)のGoran Iであり、これはλｂ＝４５８ｎｍおよびλｇ＝５１４ｎｍと、大きなＱ＝５７とを有する。ここで１ｍｍの距離誤差に対して所要の分解の精度は０．０２ｍｍである。この最後の値は実現できないか、または極めて大がかりでしか実現できないため、この手法が価値を認められることはなかった。今日まで商品としての装置は使用されておらず、さらにこれまでに作製された装置は極めてコストが高く、実験室の机の面を専有していた。
【００１４】
特許明細書ＵＳ５２３３１７６から２色法を有する装置が公知であり、ここでは、相異なる波長の２つのレーザビームの、それぞれの基準ビーム路からの偏差を評価することによって測定に対する大気の影響が補償される。ここではレーザビームは、相異なる２つの搬送波波長により短いパルスで放出される。２つのビーム路と直線との分散によるずれから、分散の影響が決定されて測定値が補正される。
【００１５】
２つまたは３つの搬送波波長を有する公知の装置の大きな欠点は、微弱にしか変化しない広帯域の光の分散を利用することであり、ここでこれは互いに接近して並び合った搬送波波長から得られるものである。ここでこれはBarrel & Searsの広帯域のモデルにしたがう、またはEdlenの式にしたがう特性を有する。第１の欠点は、不正確な距離補正しか可能にしない乏しい測定効果であり、この距離補正は、気象上のパラメタＴ，ｐおよびＲＨを決定することに基づく古典的な大気の補正の品質を下回る。Barrel／SearsのモデルにしたがいまたはEdlenの式にしたがい、大気の群屈折率の差は、赤（例えば６３５ｎｍ）〜近赤外線（例えば８２０ｎｍ）の範囲で極めて小さい（約５ｐｐｍ）。
【００１６】
したがって２つまたは３つの搬送波波長を有する、すべての従来の装置の重大な欠点としてつぎのようにまとめることができる：
１）  わずかな間隔を有する搬送波波長を使用することによって、光の分散において極めてわずかな差分しか得られない、
２）  ここから極めて高い分解の精度が要求される。従来技術ではこの要求を、フィールドにおいて有用であるように実現することはできない、
３）  大きな間隔を有する搬送波波長を択一的に使用することにより、従来技術では装置の大きなコストが発生する。それは２つの波長領域に対して、例えば回路部ないしは制御部について別個の要求がなされるからである、
４）  搬送波波長の間隔が大きい場合に実現すべき装置は、測量技術的な使用によって課される要求、例えば重量および頑強さについての要求を満たさない。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の技術的な課題は、視野の区間に沿い多色法により分散を測定する、フィールドにおいて有用な測地用装置を提供して、この装置が、所定の距離誤差に対してはわずかな分解の精度しか必要とせず、また達成可能な分解の精度に対しては従来技術の装置よりも少ない距離誤差しか生じないようにすることである。
【００１８】
別の課題は、分散の影響が補正された距離測定を有する、位相測定原理に基づく装置を提供することである。
【００１９】
別の課題は、技術的前提をより容易にすることであり、ここでこの技術的前提とは、比較的大きな波長差を有する多色測定用に電磁ビームを放出するための技術的前提である。
【００２０】
別の課題は、比較的大きな波長差を有する多色測定用の装置を提供して、この装置が視覚的な望遠鏡と光学系を共通化できるようにすることである。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記の課題は、本発明により、位相またはパルス変調原理にしたがい区間に沿って行われる測定、例えば距離測定に対する、分散の影響を求める装置であって、少なくとも２つの搬送波波長を有する電磁ビームを放射する手段と、少なくとも２つの搬送波波長を受光する手段と、相異なる少なくとも２つの搬送波波長の走行時間を前記区間に沿って測定する手段と、測定した少なくとも２つのこれらの走行時間から、測定に対する分散の影響を計算する手段とを有する形式の、測定に対する分散の影響を求める装置において、放射の手段を構成して、この手段によって、少なくとも１つの第１の半導体レーザの形態で、第１の搬送波波長が赤外線または赤の波長領域にて放出され、少なくとも１つの第２の半導体レーザの形態で、第２の搬送波波長が紫の波長領域にて放出され、上記の第１の搬送波波長および第２の搬送波波長は、この第１の搬送波波長および第２の搬送波波長に対して同じクロマチックな焦点シフトが生じるように選択されており、この第１の搬送波波長および第２の搬送波波長に対して共通の光学系および受光する手段を用いることを特徴とする、測定に対する分散の影響を求める装置を構成することによって解決される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の基礎にあるアイデアは、赤外線または赤の領域（８５０ｎｍまたは７８０ｎｍ）における測定を、青紫または紫の領域（４４０ｎｍまたは４０５ｎｍ）における測定によって補足することである。青紫または紫の領域の光は、大気の屈折の影響を大きく受けるため、改善された大気の補正が可能になる。大気のグループ屈折率の差は、例えば紫の領域に対して〜２５ｐｐｍであり、ファクタＱは約１０であるため、個別色による測定の精度に対する要求は、従来技術の方法におけるよりも格段に小さい。
【００２３】
コンパクトかつ実践的な測量での使用に耐え得る解決手段を実現するのに必要な機器の前提条件は、電流を節約しかつコスト的に有利な半導体レーザによって得られ、ここでこれは青紫および紫のスペクトル領域におけるビーム源として使用される。このスペクトル領域において放射されるレーザ、ないしはこれの元になる半導体材料は、例えば特許明細書ＵＳ５３０６６６２，ＵＳ５５７８８３９，ＵＳ５７４７８３２およびＵＳ５７６７５８１から公知である。
【００２４】
青紫または紫のレーザダイオードは、その精度において青のレーザダイオードにまさる。ＵＶレーザダイオード（＜４００ｎｍ）の使用が考えられるがこれははもはや不利である。それはそのビームは、大気の散乱が増すとともに大きく減衰してしまうからである。空気の散乱計数は、レイリー散乱に基づき、波長が短くなると共に４乗で増加する。
【００２５】
可視スペクトルにおける波長が長い側の端部の領域に対しては、レーザダイオードが市場で入手可能であり、またこれに感応する半導体検出器も利用可能であるため、コスト的に有利な解決手段を実現可能である。
【００２６】
距離測定装置には、例えば、λＩＲ＝８５０ｎｍの波長を有する赤外線半導体レーザ、ならびにλＶ＝４０５ｎｍの波長を有する紫半導体レーザを装備することができ、ここでインデックスIRは赤外線、またVは紫を表す。所要の区間測定は、２つのレーザによって同時にまたは相前後して行うことができる。
【００２７】
２つの距離測定結果の差分は約２５ｐｐｍ，すなわち１ｋｍの距離では、紫のレーザによって赤外線レーザよりも約２５ｍｍ長く測定される。しかしながら距離差分ＤＶ−ＤＩＲは、空気の目下の群屈折率（温度、気圧、湿度、ＣＯ２濃度などに依存する）に応じて変化する。
【００２８】
実際の距離は、式（３）を考慮してつぎの式により計算される
（５）  Ｄ  ＝  ＤＩＲ−(ＤＶ−ＤＩＲ)・((ｎＩＲ−１)／(ｎＶ−ｎＩＲ))。
【００２９】
λＶ＝４０５ｎｍおよびλＩＲ＝８５０ｎｍの波長によって
0004184700.tif 000002
が得られる。
【００３０】
【外１】
0004184700.tif 000003
【００３１】
いわゆるFizeauの測定原理に基づく極めて精度の高い公知の測定方法は、メコメータ原理（Mekometerprinzip）（J. M. Rueeger:  Electronic Distance Measurement, 第４版、Springer-Verlag，１９９６年）であり、ここでは送出すべきレーザビームが、電気光学変調器（カーセル）によってＭＨｚ〜ＧＨｚ領域に変調され、受光したビーム同じ変調器によって位相コヒーレントに復調される。外部の変調のこの手法では、例えば高い周波数のために、極めて高い距離測定精度が得られるが、フィールドにおいて有用性であり、人間工学的、かつ大きさの小さい測量機器に対してはなお一層不利である。
【００３２】
距離測定をレーザダイオードによって０．２ｍｍ以下の精度で測定するという課題には、別の技術的な解決手段が必要である。高い周波数によって電流を直接変調する手法は、レーザダイオードの場合、到達可能な測定精度の点から目的にかなうものではない。
【００３３】
これに対してレーザダイオードが電子式の制御によって直接、強度が変調されて、光学的な立ち上がりおよび立ち下がり時間ができるだけ比較可能であるか、または１ナノ秒よりも短い場合には、必要なｍｍ以下の領域の精度が得られる。
【００３４】
ここで個々の距離測定の精度は、信号の波面ないしは放出の際の位相変動に依存する。搬送波波長を強度変調すること、またはレーザダイオードを励起してパルス幅が２ナノ秒よりも小さなパルスを放出させることよって、位相変動が少ないという利点が得られる。それはレーザダイオードのビームモードによって強制的に同位相でビームが放射され、同様にコヒーレントなビーム特性の障害となる影響も抑圧されるからである。このような特性を有する装置は、特許明細書ＥＰ−０７０１７０２およびＥＰ−０７３８８９９から公知である。
【００３５】
青紫または紫の領域の搬送波波長の使用には、有利にはピコ秒領域のパルス幅ないしは立ち上がり時間が必要である。それはレーザのレベル間のエネルギー差が、波長のより長いレーザの場合よりも大きく、また１レーザレベルにおける状態の寿命時間と、例えば、レベル間のエネルギー差および遷移時に放出されるべきビームとが負に相関するからである。このように短いパルスでは高い出力と均一な放射を達成することができる。
【００３６】
可視の波長（約７００ｎｍ〜４００ｎｍ）ないしは可視スペクトルの縁部領域における波長だけを使用することは、レーザ安全技術上の理由から有利である。それはこれらの波長はクラス２レーザになるため、高い出力レベルが許容されるからである。さらにレーザの可視の光スポットにより、測量すべき対象物においてこの光スポットを簡単に位置決めすることができる。
【００３７】
波長が周縁部に位置して可視の波長領域の中央に位置しない場合、視覚的な望遠鏡と一緒に共通の光学系を使用することができ、セオドライトの望遠鏡に色が着いてしまうことはない。これに対して例えば緑のレーザを使用することになると、視覚的な望遠鏡の画像は着色されて眼に見えてしまう。
【００３８】
共通の光学系には、体積を節約するという別の利点がある。これは、例えば、できる限り大きな受信機開口部を有する放射計−光学システムの場合である。さらに同軸に配置された２つの搬送波は完全に同じ空気体積体を通過し、これによって距離の差は分散にだけに起因し、別の外乱量が発生し得ない。
【００３９】
受信側の利点は、共通の光学系を使用する際および同じ受信機（フォトダイオード、高周波増幅器、復調器）を利用する際に得られ、これにより、発生し得るドリフトが互いに相殺される。レーザシステムが異なることに起因して別個の変調方式で動作する従来の装置では、別々の受信システムが必要である。さらにこの装置においては波長の差が小さいことに起因して個別の距離を格段に精確に求めなければならず、このことから長い測定時間または到達距離の損失が発生してまうことがある。
【００４０】
本発明にしたがい比較的大きく互いに離れた波長を使用することによって得られる利点は、この際に比較的大きく分散する大気の特性がより良好に利用されて屈折率の決定を行うことができることであり、また視覚的な望遠鏡が損なわれないことである。
【００４１】
視覚的な望遠鏡に対しても、可視のスペクトルの周縁部の２つの搬送波波長に対しても共通の対物レンズを使用することは、特殊な光学的な要求に結び付く。一方では光学的な結像品質、例えば画像の鮮明さを保証しなければならず、他方では２つの搬送波が同じ受光ダイオードに結像される場合には画像の幅を２つの波長に対して等しくしなければならない。この困難な課題は、３つのレンズだけからなる対物レンズによって解決することができ、ここでガラスの種類はこれらのレンズに対して最適に選択される。
【００４２】
例えば４００ｎｍおよび７８０ｎｍにおいて画像の幅を同じ大きさに設計するためには、波長について放物線状である、クロマチックな焦点シフトの経過が、有利なガラスの種類によってスペクトル的に正しい位置にシフトされる。このようにすれば２つの搬送波波長に対する画像の幅は同じであり、その際に可視のスペクトル領域における画質が低下することはない。
【００４３】
反射エレメントを有する光学系を使用すれば、そのアクロマチックな特性に起因して、複数の波長のビームを同じ光学系で受光して結像できる可能性があるが、反射を行うエレメントから構成される系は一般的に高価であり、光学的に作用する面の表面品質に対して高い要求が課せられる。
【００４４】
２つの半導体レーザをビーム源として使用することにより、分散補正のための装置のサイズを小さくすることができ、したがってこの装置を、困難なしにセオドライトに組み込むことができ、またこのセオドライトで使用して距離測定時の分散の誤差を自動的に除去することができる。セオドライトでの使用に対して半導体レーザの小さな電流消費は有利である。それは電流供給は通常、バッテリを介して行われるからである。本発明の装置をセオドライトに使用することは、ここでは測量用の測定装置の例として示しただけである。基本的にはこの装置は、測量用の適切な測定装置であればどれにでも使用可能である。
【００４５】
構造的な観点から見ると本発明の装置に対して別の利点が得られる。本発明の装置では、制御特性が距離測定器の第１光源の制御特性と同じレーザダイオードまたはＬＥＤが第２光源に対しても同様に使用される。これによって２色法を技術的に簡単に実現可能である。それは、例えば送光ビーム路および電子式制御部を２重にするだけでよいからである。共通の送光ビーム路によって達成されるのは、同軸の２つの波長によってほぼ同じ大気の体積体が測定されることである。
【００４６】
赤外線および紫の半導体レーザを使用することにより、２つのレーザに対して同じ変調方式（振幅変調）を使用可能である。このことによって光出力制御部および電子式制御部が簡単になる。それは直接の電流変調によって処理できるからである。この直接の変調によって、コストの点からも、複雑さおよび所要スペースについても不利な外部の変調器を省略することができる。
【００４７】
本発明で使用可能な半導体レーザは、そのサイズがこれまでの２色距離測定装置に使用されていたガスまたは固体レーザよりも格段に小さく、ここでこれらはほとんどが外部の偏光変調器によって動作する。エネルギーおよび電力消費は、１０〜１００倍少なく、また高価かつ複雑な変調制御部が省略される。さらに、レーザ光を種々異なる搬送波波長で直接放射する際に、このレーザ光を非線形のクリスタルによって周波数２倍化または３倍化する必要がない。
【００４８】
波長の短い領域において屈折率は波長に大きくするため、青紫または紫のビーム源の波長を安定化することは有利である。これは一般に公知の方法、例えば分布帰還（Distributed-Feedback），ＤＢＲ（Distributed-Bragg-Reflector, ＦＢＧ（Fibre-Bragg-Grating）またはファブリ−ペローエタロンロッキング（Fabry-Pero-Etalo-Locking）によって達成可能である。
【００４９】
温度に依存する、レーザのドリフトを考慮するためには、それをモデル化して後続の計算によって考慮すること、またはレーザの冷却ないしは加熱によってそれを直接回避することが考えられる。計算によるドリフトの考慮は、青紫または紫の波長領域においてレーザの波長が温度に一義邸に依存することに基づいて行うことができる。紫のレーザダイオードは、例えば、より波長の長いレーザダイオードに比べて格段に小さな、温度による波長ドリフトを有しており、これは典型的には０．０５ｎｍ／℃である。したがって補償ないしは考慮の必要性は、別のタイプのレーザの場合より少なくなる。この波長は、レーザダイオードに直接配置された温度センサによって０．０５ｎｍの精度で決定され、分散の効果に対する影響は所要の精度で計算により除去される。
【００５０】
しかしながらこのドリフトは、択一的にまたは補足的にレーザを冷却または加熱することによって、例えばペルチェ素子を用いて直接、回避または低減することができる。
【００５１】
本発明の装置により、使用可能な光学系および電子装置、達成可能な機械的寸法ならびにエネルギーまたは電流消費についての上記の利点に起因して、２色距離測定部を測量用測定機器、例えばタキメータに組み込むことができる。
【００５２】
【実施例】
以下では本発明による装置および本発明による測定装置を、セオドライトの例で図面に概略的に示した実施例に基づき詳しく説明する。これは純粋に例示的なものである。
【００５３】
図１は、従来技術の２色法に対して分散を利用することを示しており、ここでこれは搬送波波長λ１とλ２とを使用することによって行われ、これらは大気の体積体を赤のスペクトル領域では７００ｎｍでまた赤外線のスペクトル領域では８５０ｎｍで探査する。水平軸には波長λ、また垂直軸には屈折率ｎがプロットされている。分散補正の精確さにより、測定される屈折率のできるだけ大きな差が要求されるため、屈折率が波長に依存することに起因して、互いに大きく離れている２つの搬送波波長を選択しなければならない。すなわち搬送波波長λ１とλ２との間の差分Δλが最大化される。従来技術によればこれは、１つの波長を赤外線領域にシフトすることによって行われる。
【００５４】
図２には本発明の装置に対する２色法の物理的な関係が示されている。水平軸にはここでも波長λが、また垂直軸には屈折率ｎがプロットされている。使用しする波長λ１とλ２は、紫の領域では４０５ｎｍ、また赤の領域では７００ｎｍである。したがって波長の差分が拡大されるの加えて、２つの波長は可視領域に位置することが可能である。さらにこのスペクトルの波長の短い側の端部において屈折率が大きな傾きで増加することにより、屈折率の差分Δｎが大きくなる。曲線Ａは、人間の眼の明るさ感度の経過を概略的に示している。
【００５５】
図３には、波長の短い側におけるビームの安定性が有利になる物理的な状態が示されている。ここでも水平軸には波長λが、また垂直軸には屈折率ｎがプロットされている。４０５ｎｍの波長で放射されるビームは、種々異なる効果に起因して、例えば温度の影響によって、Δλの範囲で公称値の周りで変動するか、またはこれを越えてドリフトすることがある。ここから得られる屈折率の変化Δｎは、波長の短い側の領域において傾きの大きい屈折率の経過のために、従来技術による方法の全差分のオーダーに達し、ひいては装置の精度にマイナスに影響する。したがって波長の短いビームを安定化することは、状況によっては必要な前提条件である。
【００５６】
図４にはセオドライト望遠鏡における本発明の装置の実施例が概略的に示されている。送信ユニット１によって、波長の短いビーム源２と波長の長いビーム源３とが制御され、これによりこれらのビーム源は、相異なる２つの搬送波波長の電磁ビームを放射する。ビームスプリッタ４を介して２つの搬送波波長は合成され、探査すべき大気の体積体５を通して反射器６に導かれる。反射が行われた後、ビームは、スプリッタキューブ７を介して受光器８に導かれ、そこで取り出されて受信ユニット９で電子的に処理される。後置接続された距離測定ユニット１０で、測定すべき距離が計算され、計算ユニット１１において分散の影響が補正される。選択的には視覚的な望遠鏡１２を使用してセオドライトを配向することができる。
【００５７】
図５にはクロマチックな焦点シフトの経過が、３つのレンズからなる共通の光学系に対して示されており、ここでこれらのレンズは、ガラスの種類を選択することにより、使用される２つの波長についてスペクトル的に最適化されている。垂直軸には電磁ビームの波長がマイクロメートルで、また水平軸には焦点のシフトがマイクロメートルで示されている。線Ｂは、波長が紫の領域において４００ｎｍであり、赤の領域において７８０ｎｍである２つの半導体レーザに対する状況を示している。これらの波長に対して同じ焦点移動が発生するため、共通の結像光学系を使用可能である。これと比較して紫または赤の半導体レーザの代わりに青紫または緑のレーザを使用することになると、線Ｃによって示されるように、２つの波長に対して別個の焦点移動が発生することになり、この波長の組み合わせに最適化された別の光学系を使用しなければならないことになる。焦点移動の曲線の典型的な経過によって発生する赤および紫の波長のシフトは類似しているため、これらの２つの波長に対して共通の光学系を比較的簡単に作製可能である。
【００５８】
相応する光学系によって達成すべき光学的な品質、すなわち画質が図６に示されている。プロットされているのは、ＲＭＳ（Root-Mean-Square）波面収差の経過であり、３つのレンズに対する電磁ビームの波長について示されている。水平軸には波長がマイクロメートルで、また垂直軸には波面収差が波長単位で示されている。ＲＭＳ波面収差は、各レンズの質に対する尺度である。
【００５９】
図１〜図３に示した、屈折率および人間の眼の明るさ感度の経過は純粋に定性的なものであると理解されたい。
【００６０】
ΔｎおよびΔλなどの図示の差分は、発生する影響を定性的に説明しており、定量的に精確な考察の基礎として使用することはできない。
【００６１】
ここに示した図は、多くの実施形態のうちの１つを説明しており、当業者は、択一的な実施形態、例えば電磁ビームを放射および受光する、または信号受信または信号処理のための別の手段を使用する実施形態を導き出せることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の装置に対して２色法の物理的な関係を示す線図である。
【図２】本発明の装置に対して２色法の物理的な関係を示す線図である。
【図３】比較的波長の短いビーム源を安定化する利点を概略的に示す線図である。
【図４】本発明の装置のセオドライト望遠鏡への使用を概略的に示す図である。
【図５】本発明の装置に対する光学系のクロマチックな焦点シフトを示す線図である。
【図６】光学系の波面収差を本発明の装置に対して示す線図である。
【符号の説明】
１  送信ユニット
２  波長の短いビーム源
３  波長の長いビーム源
４  ビームスプリッタ
５  大気の体積体
６  反射器
７  スプリッタキューブ
８  受光器
９  受信ユニット
１０  距離測定ユニット
１１  計算ユニット
１２  視覚的な望遠鏡
Ａ  明るさ感度
Ｂ，Ｃ  線
【図１】
0004184700.tif 000004
【図２】
0004184700.tif 000005
【図３】
0004184700.tif 000006
【図４】
0004184700.tif 000007
【図５】
0004184700.tif 000008
【図６】
0004184700.tif 000009