專利名稱：具有譜和空間選擇性特征的電子測(cè)距儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的具有譜選擇性和空間選擇性特征的電子測(cè)距儀。
背景技術(shù)：
在許多距離測(cè)量應(yīng)用中，特別是在LIDAR測(cè)量(光檢測(cè)和測(cè)距)中，必須根據(jù)輻射背景獲得距離測(cè)量的有用信號(hào)。輻射背景的強(qiáng)度可能比有用信號(hào)的強(qiáng)度大幾倍。然而，由于有用信號(hào)的性質(zhì)，可以通過譜或空間濾光器將有用信號(hào)從背景中分離出來。通常，與發(fā)射器的軸相平行或共軸地發(fā)射測(cè)量信號(hào)，使得該信號(hào)沿發(fā)射器的軸的方向被待勘測(cè)的、大體呈漫射的表面反射回來。此外，可以選擇所發(fā)射的光的譜范圍，使得可以通過譜選擇性反射或吸收來分離出寬帶背景輻射。
這種測(cè)距儀的典型應(yīng)用領(lǐng)域是帶有LIDAR系統(tǒng)的支持航空或支持航天的應(yīng)用，其中排他地或者與對(duì)其他參數(shù)的記錄同時(shí)地實(shí)現(xiàn)對(duì)物體或表面的距離測(cè)量，并且其中接收到很大部分的外來或干擾輻射。
這里，在航空器或航天器上使用的系統(tǒng)必須滿足特別的要求，因?yàn)橥ǔ４嬖趪?yán)格的重量限制。此外，在支持航天應(yīng)用的情況下會(huì)出現(xiàn)問題，因?yàn)榻邮盏降妮椛鋸?qiáng)度和相關(guān)聯(lián)的熱負(fù)載很高，例如，這是因?yàn)橹苯拥娜展饣蛞驗(yàn)樗鼈冏陨淼臒岜砻?如火或金屬融化物)的輻射。由此，利用LIDAR從環(huán)極軌道對(duì)天體的地貌進(jìn)行掃描的衛(wèi)星原則上應(yīng)當(dāng)能夠處理行星的白天和夜晚側(cè)的不同邊界條件。白天側(cè)給出了極大部分的背景輻射，必須從該背景輻射中獲得待使用的LIDAR信號(hào)。然而，在通過強(qiáng)輻射或反射表面(如冰、水或沙漠沙地)的支持陸地或支持航空應(yīng)用的情況下也會(huì)出現(xiàn)類似的困難。
為了抑制或屏蔽背景輻射，使用帶有譜寬帶、窄帶或本地濾光器或空間濾光器的多級(jí)濾光概念。
這些濾光器的在頻譜上寬的部分具有在紫外(UV)和紅外(IR)范圍上反射的兩個(gè)單獨(dú)的濾光器。
UV濾光器組件包括涂覆在該儀器孔徑的面向外部的一側(cè)上的介電多層。例如，可以將該濾光器組件作為一層安裝在孔徑的ZnSe板上，反射而不吸收600nm以下的波長，但是透射而不吸收更長的波長。這種濾光器很復(fù)雜，但是通過限制于一定的譜范圍可以在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)它。
IR濾光器組件位于UV濾光器組件的下游，并具有不吸收該波長帶的金鏡(gold mirror)。UV濾光器組件的ZnSe載體材料反過來確保了在這兩個(gè)鏡之間的無吸收輻射輸運(yùn)。
通過將輻射直接或間接聚焦到用于接收的傳感器上來提供空間濾光器組件，該傳感器表面充當(dāng)視場光闌。然而，也可以由位于該傳感器的上游的光纖來補(bǔ)充或替代該光闌效應(yīng)。在垂直系統(tǒng)(即，沿天底(nadir)方向向表面上觀察的系統(tǒng))的情況下，有關(guān)輻射按零度入射。為了進(jìn)行聚焦，可以將ZnSe板的不面對(duì)外部的一側(cè)例如適當(dāng)?shù)匦纬蔀閱蝹€(gè)透鏡或透鏡陣列(arrangement)。然后將IR濾光器組件的金層布置于該透鏡的焦平面上或靠近該焦平面，使得相組合地反射在天底方向以外的任何輻射入射。
譜窄帶濾光器組件是緊湊的，例如采用法布里-珀羅干涉儀或光纖光柵的形式，具有小于約LIDAR波長的1nm的帶寬，使得沿天底方向抑制該范圍以外的任何輻射。
通過對(duì)入射輻射的多級(jí)選擇，可以從背景輻射中分離出LIDAR系統(tǒng)的有用輻射，通過反射避免對(duì)該陣列的加熱。特別是在衛(wèi)星的情況下，該“熱負(fù)載”是必須被最小化的關(guān)鍵參數(shù)，因?yàn)楸仨殢拇嬖诘哪芰抗?yīng)中獲得必要的冷卻力。由此，也可以從強(qiáng)發(fā)射表面執(zhí)行記錄，如行星靠近太陽的白天側(cè)，特別是不需要特殊的冷卻裝置，這使得可以減少約1.3kg的質(zhì)量。
同時(shí)，該陣列允許特別緊湊的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)例如還允許二維陣列。由此，ZnSe板的內(nèi)部可以采用10×10多透鏡陣列(小透鏡陣)的形式，使得可以通過相同的數(shù)值孔徑實(shí)現(xiàn)短焦距因而實(shí)現(xiàn)短設(shè)計(jì)。這些透鏡可以將所接收到的輻射導(dǎo)引到下游光纖的入口中，這些光纖可以分別通向單獨(dú)的檢測(cè)器或者通向公共的檢測(cè)器。可以將窄帶濾光器組件布置在光纖端與檢測(cè)器之間?？梢酝ㄟ^六角形、蜂窩狀鈹結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)透鏡陣列與多條光纖的連接和機(jī)械固定，使得確保了強(qiáng)結(jié)構(gòu)連同輕重量。
通過對(duì)單獨(dú)的檢測(cè)器分別分配單條光纖，可以增大檢測(cè)器端的系統(tǒng)冗余性，甚至不必進(jìn)行大的硬件修改就可以對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行檢測(cè)。
然而，仍存在的缺點(diǎn)是發(fā)射器和接收器組件的空間分隔。盡管通過上述可能的實(shí)施方式在原則上可以實(shí)現(xiàn)緊湊的設(shè)計(jì)，然而分立的發(fā)射器和接收器仍然具有不同的束路徑和它們的軸的偏移。此外，必須將不同類型的組件集成在一個(gè)陣列中，這導(dǎo)致更大的技術(shù)復(fù)雜性和增大的制造成本。此外，由于可用面積的原因，發(fā)射器和接收器的功率受到限制，因?yàn)樵龃蟀l(fā)射器孔徑的數(shù)量或面積會(huì)減小接收器孔徑的數(shù)量或面積。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種測(cè)距儀，特別是用于望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的測(cè)距儀，其在結(jié)構(gòu)上得到了簡化。
另一目的是提供一種提高了對(duì)可用空間、面積以及重量限制的利用的測(cè)距儀。
根據(jù)本發(fā)明，通過權(quán)利要求1的主題或其從屬權(quán)利要求的主題主體實(shí)現(xiàn)了這些目的，或進(jìn)一步開發(fā)了這些成果。
本發(fā)明涉及具有譜和空間選擇性的電子測(cè)距儀，特別用于支持陸地或支持航天應(yīng)用的望遠(yuǎn)鏡裝置。
根據(jù)本發(fā)明，由用作發(fā)射器和接收器的公共組件的光纖激光器來形成布置在譜寬帶濾光器組件的下游的光纖。其中，由泵浦激光器生成光并將該光輸入到所述光纖激光器的一個(gè)端面中。將所生成的激光發(fā)射用于進(jìn)行勘測(cè)，并且當(dāng)在該激光發(fā)射經(jīng)過了所述多個(gè)寬帶濾光器組件之后被接收到時(shí)，將該激光發(fā)射輸入回所述光纖激光器中(但是此時(shí)是從另一端面輸入的)，并由所述光纖激光器來導(dǎo)引。由于泵浦光和激光具有不同的譜范圍，因此可以將這兩個(gè)分量彼此分開。此外，可以引入時(shí)間鑒別，其將由于激光信號(hào)往返的有限傳輸時(shí)間而導(dǎo)致的時(shí)間延遲考慮進(jìn)來。在離開了所述光纖激光器之后，將所反射的光通過所述窄帶濾光器組件導(dǎo)引到傳感器上。


在附圖中示意性地并以示例的方式示出了本發(fā)明和各種實(shí)施例的進(jìn)一步的詳情。具體地圖1示出了寬帶濾光器組件的效果的示意圖；圖2示出了各種組件的協(xié)作的示意圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的示意圖；以及圖4示出了用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的多個(gè)陣列之間的關(guān)系的示意圖。
具體實(shí)施例方式
在圖1中，對(duì)寬帶濾光器組件的效果進(jìn)行示意性的說明。按不同角度入射的輻射S射入(strike)作為第二譜濾光器組件的UV濾光器組件1，該UV濾光器組件1反射輻射S的UV分量UV。經(jīng)由具有成形透鏡結(jié)構(gòu)2a的ZnSe板2饋送其余分量。透鏡2a具有用于提高對(duì)反射回的輻射的透射的抗反射涂層3。通過該結(jié)構(gòu)，該輻射的紅外分量IR也被透射，但是它在通過了作為第一譜濾光器組件的IR濾光器組件4之后，被反射回去，因而，在再次通過ZnSe板2和UV濾光器組件1之后，該IR分量IR再次離開測(cè)距儀。
圖2示出了各種其他組件的協(xié)作的示意圖。在進(jìn)行了在圖1中說明的第一次濾光之后，剩余的輻射射入空間濾光器組件6，在這里該空間濾光器組件6具有光纖的形式。通過光闌或?qū)鞲衅髅娣e的限制也可以等效地實(shí)現(xiàn)該效果。將IR濾光器組件4移位到焦點(diǎn)或光纖入口處，這里選擇的圖純粹是示意性的，具體地，未精確表示出光纖與IR濾光器組件4的尺寸關(guān)系。該結(jié)構(gòu)反射在天底方向以外的任何輻射入射。在空間濾光器組件6對(duì)方向進(jìn)行了選擇之后，由作為第三譜濾光器組件的窄帶濾光器組件7實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的選擇步驟，該窄帶濾光器組件7例如具有法布里-珀羅干涉儀或反射光柵結(jié)構(gòu)的形式。通過這些組件的協(xié)作，將入射輻射S相對(duì)于它的譜和方向分量分離開，反射該輻射的主要部分，以避免或者至少減小對(duì)測(cè)距儀的加熱。為了簡單起見，在該圖中略去了束路徑的其他組件，如多個(gè)透鏡。
圖3利用圖1和圖2所示的濾光器步驟對(duì)根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的示意圖進(jìn)行了描述。經(jīng)由UV濾光器組件1、帶有透鏡結(jié)構(gòu)2a的ZnSe板2以及IR濾光器組件4饋送入射輻射S。在通過了該IR濾光器組件4之后，該輻射被輸入光纖的多模部分中(情況A)，或經(jīng)由微透鏡5被輸入用于對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行后放大(postamplification)的有源光纖芯6a(情況B)。在前一情況下，光纖的位于檢測(cè)器端的一端必須配備有強(qiáng)度光闌6b，而在情況B下必須配備有快速開關(guān)，例如采用Q開關(guān)的形式。在情況B下，然后實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖激光器的發(fā)射與通入傳感器11的開關(guān)的時(shí)間關(guān)聯(lián)分離，使得當(dāng)該開關(guān)接通時(shí)光纖芯6a充當(dāng)后放大器。兩個(gè)光纖區(qū)還充當(dāng)空間濾光器。濾光器激光器例如具有直徑為4微米的有源光纖芯6a和具有約100微米的直徑的多模結(jié)構(gòu)。在該多模結(jié)構(gòu)中，所接收到的輻射S通過光纖激光器并最終經(jīng)由第一透鏡8a、二向色分束器10、窄帶濾光器組件7以及第二透鏡8b，入射到傳感器11上。然而，與該接收束路徑相平行地，根據(jù)本發(fā)明，還將該結(jié)構(gòu)用于發(fā)射用于進(jìn)行測(cè)量的測(cè)量輻射ES。為了生成該測(cè)量輻射ES，泵浦光源9發(fā)射光，該光通過第三透鏡8c使該光準(zhǔn)直，并經(jīng)由分束器10和第一透鏡8a將該光輸入到光纖激光器中。為了防止該光纖激光器對(duì)接收器的多個(gè)組件(特別是對(duì)傳感器11)的激光發(fā)射的不利效應(yīng)，光纖激光器在接收器端具有在光學(xué)地遮蓋有源光纖芯6a的端元件6b。經(jīng)由包括微透鏡5和透鏡結(jié)構(gòu)2a的望遠(yuǎn)鏡陣列將由光纖激光器生成的測(cè)量輻射ES變成發(fā)射所需的束剖面。由此光纖在前向操作模式下進(jìn)行操作，作為發(fā)射模式下的光纖激光器，然而，在后向操作模式下，該光纖充當(dāng)接收器的空間濾光器組件6’。通過這種雙重用途，通過基本上相同的多個(gè)光學(xué)組件實(shí)現(xiàn)了發(fā)射和檢測(cè)，得到了設(shè)計(jì)的簡化，這在空間和重量限制方面具有優(yōu)勢(shì)。
圖4示出了給出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的多條光纖的組合。純粹示意性地示出了用于實(shí)現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的多條光纖的多個(gè)陣列之間的關(guān)系。ZnSe板2’現(xiàn)在具有多個(gè)透鏡結(jié)構(gòu)2a’作為多透鏡陣，一條光纖與該多個(gè)透鏡結(jié)構(gòu)2a’中的一個(gè)相配合，作為空間濾光器組件6’。在相應(yīng)的透鏡結(jié)構(gòu)2a’與配合的光纖入口之間安裝有IR濾光器組件4?？梢詫⑺龆鄠€(gè)IR濾光器組件形成為連續(xù)結(jié)構(gòu)，但是各條光纖也可以分開。為了使圖簡化，未示出其他組件，如微透鏡。由作為光纖激光器的各條光纖來生成測(cè)量輻射ES，接著通過配合的透鏡結(jié)構(gòu)2a’來發(fā)射它。
由此，類似地，可以由各條光纖單獨(dú)地或由所有光纖或由多條光纖一起形成或使用位于在所述多條光纖的下游的多個(gè)組件。由此，在各情況下可以將單個(gè)傳感器與一條光纖配合起來。然而，另選地，也可以將多條光纖的輻射饋送給公共傳感器。類似地，可以從公共光源泵浦出多條光纖，或者，如圖3所示，多條光纖可以具有單獨(dú)的泵浦光源。
通過將各條光纖形成為接收器和發(fā)射器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)中的各種孔徑的標(biāo)準(zhǔn)化，從而產(chǎn)生制造和操作的優(yōu)點(diǎn)(如對(duì)發(fā)射器和接收器的共軸結(jié)構(gòu))，而且還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)可用空間或面積和重量的最優(yōu)化利用。
權(quán)利要求
1.一種測(cè)距儀，特別地用于對(duì)表面進(jìn)行測(cè)量的支持陸地或支持航天應(yīng)用的望遠(yuǎn)鏡陣列，該測(cè)距儀至少包括輻射源，用于向待勘測(cè)目標(biāo)發(fā)射特別是激光的電磁輻射(ES)；具有傳感器(11)的接收器單元，所述接收器單元用于接收由所述目標(biāo)反射的輻射(S)并用于特別是通過脈沖傳輸時(shí)間或相位測(cè)量方法從所述接收到的輻射中導(dǎo)出距離信息；第一譜濾光器組件(4)，特別是紅外線濾光器；所述測(cè)距儀的特征在于形成至少一個(gè)空間濾光器組件(6、6’)，并且所述空間濾光器組件(6、6’)被布置成使得對(duì)所述反射的輻射(S)的接收的角度范圍是受限的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測(cè)距儀，其特征在于所述空間濾光器組件(6、6’)采用光纖(6)的形式，特別是具有位于所述接收方向的上游的微透鏡(5)。
3.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測(cè)距儀，其特征在于所述空間濾光器組件(6’)是具有多模覆層和有源光纖芯(6a)的光纖激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)距儀，其特征在于所述反射的輻射(S)通過所述多模覆層，所述多模覆層特別地具有位于所述光纖芯(6a)與傳感器(11)之間的光遮蓋(6b)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的測(cè)距儀，其特征在于所述反射的輻射(S)通過所述有源光纖芯(6a)，所述有源光纖芯(6a)特別地具有位于所述光纖芯與傳感器(11)之間的光開關(guān)。
6.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測(cè)距儀，其特征在于該測(cè)距儀具有第二譜濾光器組件(1)，第二譜濾光器組件(1)特別地具有位于所述第一譜濾光器組件(4)的沿所述接收方向的上游的紫外線濾光器。
7.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測(cè)距儀，其特征在于該測(cè)距儀具有位于第一譜濾光器組件(4)與傳感器(11)之間的窄帶第三譜濾光器組件(7)，所述第三譜濾光器組件(7)特別具有比所述發(fā)射的輻射(ES)的波長小1nm的譜寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的測(cè)距儀，其特征在于所述第三譜濾光器組件(7)是干涉儀和/或空間周期結(jié)構(gòu)，優(yōu)選地，是法布里-珀羅干涉儀或反射光柵結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)前述任一權(quán)利要求所述的測(cè)距儀，其特征在于該測(cè)距儀具有至少兩個(gè)空間濾光器組件(6、6’)，所述至少兩個(gè)空間濾光器組件(6、6’)特別地具有相配合的多透鏡陣(2a’)，優(yōu)選地，所述多透鏡陣(2a’)被形成為ZnSe板(2’)的結(jié)構(gòu)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的測(cè)距儀，其特征在于空間濾光器組件(6、6’)和多透鏡陣(2a’)通過六角形蜂窩狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定，所述六角形蜂窩狀結(jié)構(gòu)特別地包括鈹。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有譜和空間選擇性特征的電子測(cè)距儀。本發(fā)明公開了一種測(cè)距儀，特別地用于對(duì)表面進(jìn)行測(cè)量的支持陸地或支持航天應(yīng)用的望遠(yuǎn)鏡陣列。所述測(cè)距儀至少包括輻射源，用于向待勘測(cè)目標(biāo)發(fā)射特別是激光的電磁輻射(ES)；具有傳感器(11)的接收器單元，所述接收器單元用于接收由所述目標(biāo)反射的輻射(S)并用于導(dǎo)出距離信息；以及第一譜濾光器組件(4)。根據(jù)本發(fā)明，對(duì)所述反射的輻射(S)的接收的角度范圍通過至少一個(gè)空間濾光器組件(6、6’)，特別是作為輻射源和接收器組件的光纖激光器而受限。
文檔編號(hào)G01S7/481GK1942780SQ200580012021
公開日2007年4月4日 申請(qǐng)日期2005年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月2日
發(fā)明者伯恩哈德·布勞內(nèi)克, 彼得·基佩弗 申請(qǐng)人:萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司