УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01C3/08 G01S17/66 G01S17/42 

Изобретение относится к аппаратуре измерения расстояния и может быть использовано, например, для определения расстояния от измерительного прибора до поверхности стены, потолка помещения или до предмета (объекта) внутри или вне помещения.

Известна конструкция геодезического светодальномера [1], содержащего излучатель (светодиод с оптической системой), фотоприемное устройство (фотоприемник с объективом), электронные узлы (задающий генератор, модулятор, схему обработки сигналов) и цифровое табло. Выход задающего генератора соединен с модулятором, модулирующим излучение светодиода. Пучок оптического излучения, сформированный оптической системой, направляется на отражатель, установленный в точке, до которой производится измерение расстояния. Отраженное излучение через объектив поступает на фотоприемник, выход которого подключен к схеме обработки сигналов. Выход последней соединен с цифровым табло, отображающим результат измерения.

Однако при измерении расстояния установки отражателя неудобна и не всегда возможна.

Известно устройство измерения расстояния с использованием полупроводникового лазера [2], выбранное в качестве прототипа. Устройство содержит излучатель, состоящий из полупроводникового источника, электрически связанного с ним модулятора и оптический связанного с ним коллиматора; приемник излучения, состоящий из фотоприемника, электрически связанной с ним схемы обработки сигналов и оптически связанной с ним собирающей линзы; устройство управления, электрически связанное с модулятором и схемой обработки сигналов.

Измерение расстояния с помощью этого устройства может осуществляться без применения отражателя, в частности, как следует из описания патента, за счет использования в качестве фотоприемника лавинного фотодиода, обеспечивающего большое усиление сигнала и имеющего небольшую чувствительную площадь (страница 6 описания, строки 56-63). В предпочтительном осуществлении изобретения применяется "бинокулярная оптическая система", т.е. такая, в которой оптические оси передающего и приемного каналов пространственно разнесены.

Известно, что в схеме с разнесенными осями приемного и передающего каналов при изменении расстояния от дальномера до объекта пятно излучения в плоскости фотоприемника будет смещаться [3]. При максимальном измеряемом расстоянии L_max пятно излучения, как правило, формируется в центре чувствительной площадки фотоприемника. Размер этой площадки, как сказано выше, невелик, поэтому, начиная с некоторого расстояния L₀, при приближении дальномера к объекту оптический сигнал на площадке приемника будет отсутствовать, и измерение расстояния становится невозможным.

Если оси приемного и передающего каналов совмещены, то при малых размерах чувствительной площадки фотоприемника будет иметь место эффект экранировки этой площадки, также ограничивающий минимальное измеряемое расстояние до объекта.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства для измерения расстояния с увеличенным диапазоном измеряемых расстояний.

Технический результат заключается в уменьшении минимального измеряемого расстояния при сохранении максимального измеряемого расстояния.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения расстояния, содержащем: излучатель, состоящий из полупроводникового источника, электрически связанного с ним модулятора и оптически связанного с ним коллиматора; приемник излучения, состоящий из фотоприемника, электрически связанной с ним схемы обработки сигналов и оптически связанной с ним собирающей линзы; устройство управления, электрически связанное с модулятором и схемой обработки сигналов, согласно изобретению между фотоприемником и собирающей линзой установлен оптически связанный с ними оптический элемент, направляющий, при отражении излучения от препятствия, расположенного в диапазоне расстояний от устройства до объекта от L₀ до L_min (L_min меньше L₀), часть понятого оптического излучения на чувствительную площадку фотоприемника.

L₀ - граничное расстояние (при приближении рассматриваемого устройства к объекту), при котором без указанного выше оптического элемента сигнал с фотоприемника будет отсутствовать;
L_min - граничное расстояние (при приближении рассматриваемого устройства к объекту), при котором, в случае наличия указанного выше оптического элемента, сигнал с фотоприемника будет отсутствовать.

Таким образом, для прототипа диапазон измеряемых расстояний составит от L_max до L₀, а для устройства согласно изобретению - от L_max до L_min, т.е. увеличится, поскольку L_min меньше L₀.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для варианта с разнесенными осями приемного и передающего каналов, а на фиг. 2 - для варианта, при котором оси приемного и передающего каналов совмещены.

Устройство для измерения расстояния (фиг. 1, фиг. 2) содержит излучатель 1, состоящий из полупроводникового источника 2, модулятора 3 и коллиматора 4; приемник излучения 5, состоящий из фотоприемника 6, схемы обработки сигналов 7 и собирающей линзы 8; устройство управления 9 и оптический элемент 10.

Модулятор 3 электрически связан с полупроводниковым источником 2, коллиматор 4 оптически связан с полупроводниковым источником 2; схема обработки сигналов 7 электрически связана с фотоприемником 6, собирающая линза 8 оптически связана с фотоприемником 6, устройство управления 9 электрически связано с модулятором 3 и схемой обработки сигналов 7; оптический элемент 10 установлен между фотоприемником и собирающей линзой и оптически связан с ними.

Оптический элемент 10 выполнен таким образом, что в диапазоне расстояний от устройства до объекта от L₀ до L_min часть принятого оптического излучения направляется на чувствительную площадку фотоприемника.

На фиг. 1 разрез оптического элемента 10 показан в виде треугольника, а на фиг. 2 - в виде двух заштрихованных треугольников. Практически этот элемент может быть выполнен как призма или часть линзы (фиг. 1), линза с центральным отверстием (фиг. 2), а также представлять линзу с плоскопараллельной центральной зоной, линзу Френеля, голограмму или другой элемент, отклоняющий оптическое излучение.

Параметр L₀ для варианта, схема которого изображена на фиг. 1, определяется значением фокусного расстояния собирающей линзы 8, линейным расстоянием между оптическими осями излучателя 1 и приемника излучения 5, размером чувствительной площадки фотоприемника 6, а для варианта, проиллюстрированного фиг. 2, - значениями фокусного расстояния и светового диаметра собирающей линзы 8, габаритами части излучателя 1, размещенной между собирающей линзой 8 и фотоприемником 6, и размером чувствительной площадки фотоприемника 6.

Параметр L_min зависит от способа выполнения и характеристик оптического элемента 10 и может быть определен по формулам, применяемым при расчетах оптических систем.

Устройство для измерения расстояния работает следующим образом. Устройство управления 9 вырабатывает электрический сигнал, поступающий на модулятор 3, модулирующий оптическое излучение полупроводникового источника 2. Оптическое излучение формируется коллиматором 4 в пучок излучения, направляемый на объект 12, до которого производится измерение расстояния. Часть излучения, отраженного от объекта, через собирающую линзу 8 направляется на чувствительную площадку фотоприемника 6. Электрический сигнал с фотоприемника 6 поступает на один из входов схемы обработки сигналов 7, на второй вход которого поступает электрический сигнал с устройства управления 9. На выходе схемы обработки сигналов 7 армируется электрический сигнал, содержащий информацию о расстоянии до объекта.

Формирование пятна оптического излучения на чувствительной площадке фотоприемника происходит по законам геометрической оптики. На объекте 12 при наличии электрического сигнала на входе модулятора 2 возникает пятно излучения от излучателя 1. Оно проецируется собирающей линзой 8. Если объект 12 находится далеко от рассматриваемого устройства, то изображение этого пятна излучения будет сформировано в плоскости чувствительной площадки фотоприемника (границы пучка излучения после линзы 8 условно показаны на фиг.1 и фиг. 2 тонкими сплошными линиями). В этом случае оптическое излучение не проходит через оптический элемент 10.

При уменьшении измеряемого расстояния и отсутствии оптического элемента 10 плоскость формирования пятна излучения 11 не будет совпадать с плоскостью чувствительной площадки фотоприемника 6 (границы пучка излучения показаны штриховыми линиями). Из фиг. 1 видно, что в этом случае излучение не попадет на чувствительную площадку фотоприемника. Для варианта, показанного на фиг. 2, излучение также не попадет на чувствительную площадку фотоприемника, если она имеет небольшие размеры, из-за экранировки этой зоны излучателем 1. При наличии оптического элемента 10 часть излучения будет отклонена этим элементом на чувствительную площадку фотоприемника (один из лучей на фиг. 1 и два луча на фиг. 2 условно показаны утолщенными линиями со стрелками).

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет увеличить диапазон измеряемых расстояний, а, именно, уменьшить минимальное измеряемое расстояние при тех же параметрах излучателя, приемника излучения и устройства управления, что у прототипа.

Источники информации
1. Захаров А.И. Геодезические приборы: Справочник, - М.: Недра, 1989, с. 180.

2. Патент США N 5241360, МКИ (G 01 C 3/08, НКИ 356/5, опубл. 31.08.93 (прототип).

3. Патент Японии N 4-67606, МКИ G 01 C 3/06, опубл. 28.10.92, "Изобретения стран мира", выпуск 82, 1994, БИ N 15-16, с. 32.

Изобретение относится к аппаратуре измерения расстояний и может быть использовано, например, для определения расстояния от измерительного прибора до поверхности стены, потолка помещения или до предмета (объекта) внутри или вне помещения. Устройство содержит излучатель, состоящий из полупроводникового источника, электрически связанного с ним модулятора и оптически связанного с ним коллиматора; приемник излучения, состоящий из фотоприемника, электрически связанной с ним схемы обработки сигналов и оптически связанной с ним собирающей линзы, устройство управления, электрически связанное с модулятором и схемой обработки сигналов, для увеличения диапазона измеряемых расстояний между фотоприемником и собирающей линзой установлен оптически связанный с ними оптический элемент, направляющий часть принятого оптического излучения на чувствительную площадку фотоприемника. Предложенное техническое решение позволяет увеличить диапазон измеряемых расстояний, а именно уменьшить минимальное измеряемое расстояние при сохранении величины максимального измеряемого расстояния. 2 ил.

Устройство для измерения расстояний, содержащее излучатель, состоящий из полупроводникового источника, электрически связанного с ним модулятора и оптически связанного с ним коллиматора, приемник излучения, состоящий из фотоприемника, электрически связанной с ним схемой обработки сигналов и оптически связанной с ним собирающей линзы, устройство управления, электрически связанное с модулятором и схемой обработки сигналов, отличающееся тем, что между фотоприемником и собирающей линзой установлен оптически связанный с ними оптический элемент, направляющий часть принятого оптического излучения на чувствительную площадку фотоприемника.