DE2745565A1

DE2745565A1 - Koaxiale sende- und empfangsoptik eines elektrooptischen entfernungsmessers

Info

Publication number: DE2745565A1
Application number: DE19772745565
Authority: DE
Inventors: Josef Eisenring; Klaus Dr Hildebrand; Jakob Tanner
Original assignee: Wild Heerbrugg AG
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 1976-12-03
Filing date: 1977-10-11
Publication date: 1978-06-08
Also published as: DE2745565C2; ZA777120B; CH606991A5; US4165936A

Description

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WILD HEERBRUGG Aktiengesellschaft Heerbrugg/ Schweiz

Koaxiale Sende- und Empfangsoptik eines elektrooptischen Entfernungsmessers

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Koaxiale Sende- und Empfangsoptik eines elektrooptischen

Entfernungsmessers

Die Erfindung betrifft eine koaxiale Sende- und Empfangsoptik eines elektrooptischen Entfernungsmessers zum Senden und Empfangen eines modulierten Lichtstrahlbündels für die Entfernungsbestimmung zu einem entfernten Reflektor mit einem integrierten Zielfernrohr zum Anzielen dieses Reflektors oder eines anderen Ziels.

Es sind spezielle Theodolite, sogenannte Tachymeter, bekannt, mit denen gleichzeitig Richtungen und Distanzen mit hoher Genauigkeit gemessen werden können. Ueblicherweise erfolgt dabei die Richtungsmessung durch Ablesen von Teilkreisen und die Distanzmessung mittels einer Strichplattenskala im Fernrohr und einer auf dem Zielpunkt aufgestellten Messlatte. Für die Distanzmessung sind seit einiger Zeit elektro-optische Distanzmesser bekannt, welche auf dem Prinzip der Phasenmes-

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sung oder der Laufzeitmessung beruhen und die einen Sender mit einer Senderoptik sowie einen Empfänger mit einer Empfangsoptik enthalten. Es ist naheliegend, solche Geräte mit einem Theodoliten zu kombinieren. Diese bekannte Kombination enthält dann die Sende- und Empfangsoptik des Distanzmessers sowie ein Zielfernrohr. Aus Gründen des technischen Aufwandes, der Gewichtseinsparung und der gegenseitigen Justierung der verschiedenen optischen Teilsysteme ist es zweckmässig, Sende- und Empfangsoptik als Koaxialsystem mit in diesem integriertem Zielfernrohr auszubilden.

In einem Koaxialsystem der oben beschriebenen Art ist mindestens eine Strahlenteilung notwendig, um Sendestrahlengang, Empfangsstrahlengang und Strahlengang des Zielfernrohres im Instrument voneinander zu trennen. In bekannter Art kann zu dem Zweck z.B. eine schräg zur optischen Achse stehende Planplatte mit einem einseitig gegen Luft wirkenden, selektiv reflektierenden dielektrischen Schichtensystem oder ein Teilerwürfel mit einer selektiv reflektierenden, dielektrisch verspiegelten Teilerfläche verwendet werden.

Ein derart mit einer schrägstehenden Planplatte oder einem Teilerwürfel versehenes Koaxialsystem weist jedoch Nachteile auf. Eine schrägstehende Planplatte erzeugt bekanntlich in einem nicht parallelen Strahlengang, wie z.B. im Strahlengang eines Zielfernrohres, astigmatische Fehler, die optisch nur mit grossem Aufwand kompensiert werden können. Beim Teilerwürfel andrerseits führt die technisch bedingte spektralabhängige Welligkeit des Reflexionsgrades der dielektrische verspiegelten TeilerflMche beispielsweise bei Temperaturänderungen zu einer Aenderung der spektralen Eigenschaften der ' Strahlungen im Sende- und Empfangsstrahlengang, was in der Folge zu einer Beeinträchtigung der Informationsübertragung und -Auswertung und damit direkt zu einer Herabsetzung der

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Messgenauigkeit führt. Für einen elektro-optischen Distanzmesser eines bestimmten Types beträgt die zulässige spektrale Welligkeit des Reflexionsgrades der selekt^iv reflektierenden Strahlteilungsfläche für eine Distanzmessgenauigkeit von ± 5mm typischerweise weniger als 1%. Für dielektrische Schichtensysteme, die beidseitig gegen Glas wirken, wie z.B. in einem Teilerwürfel, oder für solche, die für Einfallswinkel von etwa 45° ausgelegt sind, ist jedoch dieser Wert nach dem heutigen Stand der Technik nicht realisierbar.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine koaxiale Sende- und Empfangsoptik der eingangs genannten Ausführung derart zu verbessern, dass diese nicht mit den vorstehend beschriebenen Nachteilen behaftet ist.

Die Erfindung ist gekennzeichnet durch folgende Anordnung:

die koaxiale Sende- und Empfangsoptik und das Zielfernrohr haben die gleiche optische Achse;

ein Strahlenumlenker, der den von einer infrarote Strahlung emittierenden Quelle kommende Senderstrahl in die optische Achse lenkt, ist im Bereich des Ortes angeordnet, an welchem eine Zwischenabbildung des Sendestrahlengangs vorhanden ist;

ein näherungsweise senkrecht zur gemeinsamen optischen Achse stehendes, einseitig gegen Luft wirkendes, dielektrisches Schichtensystem ist derart angeordnet, dass der vom Strahlenumlenker herkommende Sendestrahl das Schichtensystem nahezu senkrecht trifft;

das dielektrische Schichtensystem ist für das sichtbare Licht durchlässig.

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Die die Erfindung ausmachende Kombination der einzelnen Bauelemente haben mehrere Vorteile, welche im folgenden erläutert werden. Ein zweifacher Vorteil liegt in der besonderen Anordnung des Strahlenumlenkers. Er gestattet einerseits, im Gegensatz zur Strahlteilung z.B. mit einer schräg zur optischen Achse stehenden Planplatte oder einem Teilerwürfel, die Verwendung von technisch realisierbaren selektiv reflektierenden, einseitig gegen Luft wirkenden dielektrischen Schichtensystemen mit der für elektro-optische Distanzmesser erforderlichen sehr geringen spektralen Welligkeit des Reflexionsgrades, ohne dass andrerseits durch das Substrat für das dielektrische Schichtensystem, wie z.B. eine planparallele Glasplatte, astigmatische Fehler in einem Teil des optischen Systems erzeugt werden. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die entsprechend der besonderen Ausgestaltung der koaxialen Sende- und Empfangsoptik zweckmässigerweise vorzusehende Ablenkung aus der optischen Achse desjenigen Sende- oder Empfangsstrahls, der nicht am senkrecht zur optischen Achse stehenden Strahlenumlenker reflektiert worden ist, vorzugsweise durch bekannte nichtselektive, praktisch keine spektrale Welligkeit des Reflexionsgrades aufweisende Reflektoren, wie z.B. Metallbedampfte Oberflächenspiegel, erfolgen kann. Im weiteren gestattet die koaxiale Sende- und Empfangsoptik, die optische Achse des integrierten Zielfernrohres ohne weiteres durchgehend geradlinig auszubilden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

Die Leuchtquelle 1 emittiert infrarote Strahlung. Solche Strahlungsquellen sind allgemein bekannt. Der von der Strahlungsquelle 1 ausgehende Sendestrahl wird über die Zwischenabbildungsobjektive 2,3 geführt, so dass ein Zwischenbild 4 der Leuchtquelle 1 entsteht. Im Bereich dieses Zwischenbilds 4 ist der Strahlenumlenker 5, der in diesem Ausführungsbei-

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spiel als Prisma ausgebildet ist, angeordnet. Das Umlenkprisma 5 ist im Schnittpunkt der optischen Achsen des Zwischenabbildungsobjektivs 3 und der Sendeoptik 7 angeordnet. Der Senderstrahl wird durch das Umlenkprisma 5 auf ein senkrecht zur optischen Achse der Sendeoptik 7 stehendes, dielektrisches Schichtensystem 6 gebracht. Dies Schichtensystem 6, welches einseitig gegen Luft wirkt, besteht aus einer bestimmten Anzahl von dünnen dielektrischen Schichten, die nacheinander auf eine plan-parallele Glasplatte aufgedampft sind. Die Stärke dieser Schichten liegt im Bereich von Bruchteilen der Wellenlänge des verwendeten infraroten Sendestrahls. Es kann z.B. ein als Wärmeschutzfilter bekanntes dielektrisches Schichtensystem, bestehend aus abwechselnd nacheinander aufgedampften hoch- und niederbrechenden, dünnen dielektrischen Schichten, z.B. aus Oxiden des Titans und des Siliciums, gemäss dem bekannten Stand der Technik verwendet werden. In beiden Fällen ist die spektrale Welligkeit des Reflektionsgrads des Senderstrahls sehr gering. Sie beträgt im vorliegenden Fall höchstens 1%. Der vom Umlenkprisma 5 auf das dielektrische Schichtensystem 6 treffende Senderstrahl wird also mit einer sehr geringen Welligkeit auf die Sendeoptik 7 reflektiert. In der Brennebene der Sendeoptik 7 wird das Zwischenbild 4 der Quelle 1 abgebildet. Das Sendestrahlenbündel 8 verlässt die Sendeoptik 7 und wird auf einen entfernten Reflektor, der nicht dargestellt ist, geleitet. Das vom Reflektor kommende Empfangsstrahlenbündel 9 wird von einem zum Sendeobjektiv 7 koaxial angeordneten Rinqobjektiν 10 nufgefangen. Im Ausführungsbeispiel ist die koaxiale Kmpfanqnnpl ik 10 als Linsensystem dargestellt, welches eine zentrale Bohrung für die Fassung der Sendeoptik 7 aufweist. Selbstverständlich kann die Empfangsoptik auch als Spiegelsystem ausgeführt sein. Wesentlich ist hierbei die koaxiale Anordnung zwischen der Empfangsoptik und Sendeoptik 7, 10. Das Empfangsstrahlnnbündel 9 wird durch die ringförmige Fmpfangsoptik 10 auf einen, schräg zur optischen Achse der koaxialen Optik 7, 10 stehenden,

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metallischen Oberflächenspiegel 11 geworfen. Dieser metallische Oberflächenspiegel besitzt eine Randzone, welche als Spiegelfläche ausgebildet ist, und eine grosse mittlere Oeffnung, durch welche der Senderstrahl, das Sendestrahlenbündel 8 und das visuelle Strahlenbündel für das Zielfernrohr 16, 17, 18, 19 ungehindert durchgehen können. Das Empfangsstrahlenbündel 9 wird also an der verspiegelten Randfläche des Oberflächenspiegels 11 auf den Empfänger 12 geworfen. Dieser Empfänger, welcher allgemein bekannt ist, gibt die im Empfangsstrahlenbündel 9 enthaltene Information weiter an die nachgeordnete elektronische Auswertung.

Für die Eichung des Entfernungsmessers ist eine interne Eichstrecke zwischen der Leuchtquelle 1 und dem Empfänger 12 angeordnet. Wenn die Eichstrecke benutzt werden soll, so wird ein Kippspiegel 13 in seine gestrichelte Position gekippt. Hierdurch gelangt der Senderstrahl von der Leuchtquelle 1 über die die Zwischenabbildungsoptik, Spiegel 13, Prisma 14, Zwischenabbildungsobjektiv 15 auf den Empfänger zur nachfolgenden elektronischen Auswertung.

In die bisher beschriebene koaxiale Sende- und Empfangsoptik ist ein Zielfernrohr 16, 17, 18, 19 derart integriert, dass die optische Achse des Koaxialsystems mit der des Zielfernrohrs zusammenfällt. Dieses integrierte Zielfernrohr besteht in bekannter Weise aus dem der Sende- und Empfangsoptik gemeinsamen Objektiv 7 und in nachfolgender Reihenfolge aus der Fokussierlinse 16, einem Aufrichteprisma 17, einer Strichplatte 18 und einem Okular 19. Der Strahlenumlenker 5, welcher den Sendestrahl auf das dielektrische Schichtensystem 6 umlenkt, ist so angeordnet, dass es sich in der gemeinsamen optischen Achse des Entfernungsmessers und des Zielfernrohres befindet. Dies führt zu einer teilweisen Abschattung der Eintrittspupille des Zielfernrohres. Wegen des günstigen· Standortes des

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Strahlenumlenkers 5 im Senderstrahl und Sendestrahlenbündel 8 und durch entsprechende räumliche Masse des Strahlenumlenkers einschliesslich seiner Halterung, tritt keine Beeinträchtigung der Funktion des Instrumentes auf. Das Umlenkprisma 5 kann wegen der Zwischenabbildung des Sendestrahlengangs mit kleinen räumlichen Abmessungen hergestellt werden, wobei es seine gewünschte Aufgabe in vollem Umfang erfüllt und praktisch keine Abschattung der Eintrittspupille des Zielfernrohres bringt.

Der elektrooptische Distanzmesser mit integriertem Zielfernrohr sind zu der in der Zeichnung dargestellten gemeinsamen Einheit zusammengefügt. Diese Einheit ist um die Achse 20 schwenkbar bzw. kippbar. Diese Achse 20 ist in eine Stütze eines kombinierten Winkel-Entfernungs-Messgerätes gelagert.

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Claims

- y- Patentansprüche

1. Koaxiale Sende- und Empfangsoptik eines elektrooptischen Entfernungsmessers zum Senden und Empfangen eines modulierten Lichtstrahlbündels für die Entfernungsbestimmung zu einem entfernten Reflektor mit einem integrierten Zielfernrohr zum Anzielen dieses Reflektors oder eines anderen Ziels, gekennzeichnet durch folgende Anordnung:

die koaxiale Sende- und Empfangsoptik (7, 10) und das Zielfernrohr (16, 17, 18, 19) haben die gleiche optische Achse;

ein Strahlenu mlenker (5), der den von einer infrarote Strahlung emittierenden Quelle (1) kommende Senderstrahl in die optische Achse lenkt, ist im Bereich des Ortes angeordnet, an welchem eine Zwischenabbildung des Sendestrahlengangs vorhanden ist;

ein näherungsweise senkrecht zur gemeinsamen optischen Achse stehendes, einseitig gegen Luft wirkendes, dielektrisches Schichtensystem (6) ist derart angeordnet, dass der vom Strahlenumlenker (5) herkommende Sendestrahl das Schichtensystem nahezu senkrecht trifft;

das dielektrische Schichtensystem (6) ist für das sichtbare Licht durchlässig.

2. Koaxiale Sende- und Empfangsoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Leuchtquelle (1) und dem

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Strahlenumlenker (5) Zwischenabbildungsobjektive (2, 3) vorgesehen sind, die in der Brennebene des Sendeobjektives (7) ein Zwischenbild (4) der Leuchtquelle (1) erzeugen.

3. Koaxiale Sende- und Empfangsoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Empfangsoptik als ringförmiges Objektiv (10) ausgebildet ist, welches Objektiv als Linsen- oder Spiegelsystem konstruiert ist.

4. Koaxiale Sende- und Empfangsoptik nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vom entfernten Reflektor gelangende Empfangsstrahl (9) über die als di-

optrisches oder katadioptrisches Ringobjektiv (10) ausgebildete Empfangsoptik auf einen schräg zu der optischen Achse der Empfangsoptik stehenden metallischen Oberflächenspiegel (11) geworfen und von diesem Oberflächenspiegel zu einem Empfänger (12) zur nachfolgenden elektronischen Entfernungs-Auwertung zugeführt wird.

5. Koaxiale Sende- und Empfangsoptik nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenspiegel (11) als Ring ausgebildet ist, so dass der vom Schichtensystem (6) reflektierte Sendestrahlengang ungehindert durch die Oeffnung des ringförmigen Oberflächenspiegels (11) auf das Objektiv (7) der Sendeoptik gelangt und der Strahlengang des Zielfernrohres (16, 17, 18, 19) diese Oeffnung ohne Beschneidung passiert.

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