專利名稱：電光測距儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分的電光測距儀、 一種具
有這種測距儀的測量設(shè)備以及一種根據(jù)權(quán)利要求12的前序部分的在測距
儀中生成脈沖式激光射束的方法。
背景技術(shù)：
在很多測地應(yīng)用中，發(fā)射激光是必須的或者是有利的。這尤其涉及 測地精度通常處于毫米或者亞毫米范圍內(nèi)的電光測距，例如可以通過脈
沖渡越時間測量原理或者相位測量原理實現(xiàn)所述測地精度。例如在EP 0 738 899 Bl或者WO2004/074773中對用于測距的符合此類的適當(dāng)方法和 系統(tǒng)進行了描述。
測地應(yīng)用要求在相對遠(yuǎn)的距離上進行測距，這對射束源提出了很高 的要求。如果射束源所提供的射束具有良好限定的光脈沖形狀，那么對 于高精度測距是有利的。因此，對于根據(jù)渡越時間測量原理的精確測距 而言，射束源必須被脈沖化到納秒范圍內(nèi)、必須具有高的脈沖峰值功率 并且必須具有非常好的射束質(zhì)量，例如具有平坦且不彎曲的發(fā)射波前 (Emissionswellenfront)。
將測地設(shè)備的激光發(fā)射應(yīng)用于這一重要領(lǐng)域?qū)β屎湍＝Y(jié)構(gòu) (Modenstruktur)提出了要求。雖然在連續(xù)發(fā)射時功率達到毫瓦的范圍， 但對于在相對遠(yuǎn)距離上進行測距而言，功率達到幾十瓦的范圍是有利的， 這可以在脈沖模式下特別是通過短的高能量脈沖來實現(xiàn)。此外，應(yīng)當(dāng)提 供盡可能小且均勻的射束截面，以使得小結(jié)構(gòu)的分辨率(eine Aufl6simg kleiner Strukturen)也是可行的。射束截面或者射束輪廓應(yīng)當(dāng)在整個測量 距離上盡可能保持不變或者僅微小地改變。
在現(xiàn)有技術(shù)的測地測距中，經(jīng)常使用激光二極管作為激光源。然而，這些半導(dǎo)體激光器的缺點是，它們在多模工作模式下發(fā)射，并且作為邊 發(fā)射器，它們具有在幾何形狀上的不良射束截面。
因此，在現(xiàn)有技術(shù)中存在各種方法，通過適當(dāng)選擇激光器類型、特 殊工作模式以及射束成形裝置，將激光源的發(fā)射轉(zhuǎn)換為精確測地應(yīng)用可 利用的形式。
例如，WO 01/84077公開了一種光學(xué)測距儀，其通過布置在下游的 射束成形光學(xué)系統(tǒng)來如此偏轉(zhuǎn)邊發(fā)射激光二極管的部分射束并將其引導(dǎo) 至物鏡的光闌，以使得該部分射束基本填滿該光鬧。然而，激光二極管 的發(fā)射仍然具有多模特性。
此外，為了提升功率還可以將一個陣列中的多個單獨的激光二極管 的發(fā)射組合到一個共同的射束中，這種組合的缺點是相干性很差。
目前在市場上可購買到的發(fā)射面積為1X3 um的窄帶半導(dǎo)體激光器 允許衍射受限的發(fā)射，但是該窄帶半導(dǎo)體激光器僅對于小于1瓦的脈沖 峰值功率的脈沖范圍具有例如5000小時的可接受的使用壽命。更高的脈 沖峰值或者峰值功率將對光出射面造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷(COD: catastrophic optical damage破壞性光學(xué)損傷)。
形成用于更高功率范圍的發(fā)射寬度為100至500um的寬帶發(fā)射器 能夠在脈沖模式下在小于l^sec內(nèi)承受高達幾十瓦的最大脈沖功率，但 是這種寬帶發(fā)射器具有非常差的發(fā)射特性(Abstrahlcharakteristik)，即多 模工作。借助衍射元件的或者安裝到外部腔體(Kav旭t)中的射束成形 盡管能夠優(yōu)化發(fā)射特性，但卻帶來巨大成本開銷，例如在諧振器調(diào)節(jié)方 面或者與窄帶發(fā)射器相比質(zhì)量明顯受限(衍射解決方案)。
EP 1 517 415和WO 2005/029114公開了一種用于改善測地設(shè)備中激 光射束的發(fā)射的激光源，在該激光源中通過模選擇部件來干預(yù)多模發(fā)射 激光二極管的射束，使得由該激光源發(fā)射的激光射束具有單模特性。為 此，提出了借助其內(nèi)設(shè)有模選擇部件的外部腔體來驅(qū)動邊發(fā)射器或者垂 直半導(dǎo)體發(fā)射器，該模選擇部件例如是單模光纖或者諧振鏡 (Resonatorspiegel)，它們構(gòu)成了模選擇諧振器結(jié)構(gòu)。為了補償由于延長 的腔體而導(dǎo)致的更大脈沖持續(xù)時間，可以釆用具有負(fù)散射的部件進行脈
6沖壓縮。
此外，原則上在測地設(shè)備中也可以采用其他的激光器類型，例如通 過半導(dǎo)體激光器泵浦的處于單模工作模式下的微芯片固態(tài)激光器。然而， 這種微芯片固態(tài)激光器具有大尺寸、高能耗和例如由于熱效應(yīng)而導(dǎo)致的 不良工作特性這些缺點。因此，在實踐中，這種解決方案在供現(xiàn)場勘測 使用方面的適用性受到限制。
二極管泵浦的固態(tài)激光器在射束質(zhì)量和峰值功率方面滿足要求，但 是原理上非常復(fù)雜(泵浦激光器具有驅(qū)動裝置、入射光學(xué)系統(tǒng)、放大介 質(zhì)、質(zhì)量電路、諧振器)，并且非常昂貴。此外，這些固態(tài)激光器還通常 不允許靈活調(diào)整脈沖速率，這是因為該靈活調(diào)整在低效率的情況下由于 高的熱負(fù)荷而受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有激光源的測地勘測裝置，該激光源的 發(fā)射在相同功率情況下具有改善的射束質(zhì)量、或者在相同射束質(zhì)量情況 下具有更高功率、或者既具有更高功率也具有改善的射束質(zhì)量。
本發(fā)明的另一個目的在于能夠在尺寸、復(fù)雜度、能耗和/或構(gòu)造方面 對具有激光源的測地勘測裝置在結(jié)構(gòu)上進行改進。
根據(jù)本發(fā)明，這些目的通過權(quán)利要求l、 11或者12的特征以及通過 從屬權(quán)利要求的特征來解決，或者說進一步改進這些解決方案。
本發(fā)明基于將錐形二極管激光器整合到測地測距儀中。在市場上可 以購買到錐形二極管激光器(即，"tapereddiode laser")或者說單模單發(fā) 射器半導(dǎo)體激光器(例如在DE 197 17 571或者WO 98/49759中所述)， 用于幾個瓦特范圍內(nèi)的cw激光工作。它們包括脊形波導(dǎo)，該脊形波導(dǎo)具 有類似于窄帶發(fā)射器那樣的非常好的射束質(zhì)量并且連接到錐形波導(dǎo)，該 錐形波導(dǎo)在實踐中接收輸出的模并在內(nèi)部進行放大。因此，在理論上輸 出功率為幾個瓦特的cw就能夠?qū)崿F(xiàn)近似衍射受限的M、1.5的射束質(zhì)量。
將錐形二極管激光器整合到測地設(shè)備中是有問題的。典型情況下為 1x200 um的發(fā)射面積與寬帶發(fā)射器(Breitstreifenemitter)具有可比性，但是該發(fā)射具有非常嚴(yán)重的象散(Astigmatismus)。在快速發(fā)散軸或者快 軸上，射束腰部(Strahltaille)位于發(fā)射器面處，而與寬帶發(fā)射器相反的 是，在慢軸上表現(xiàn)出的發(fā)射點不是在發(fā)射器面上或者發(fā)射器面附近，而 是位于脊形波導(dǎo)至錐形波導(dǎo)的過渡部上。由于這種嚴(yán)重非對稱的結(jié)構(gòu)， 錐形二極管激光器在錐形長度為2mm的情況下具有大約為600IX m的非 常高的象散。
為了應(yīng)用于測地設(shè)備中，要求調(diào)整特殊的光學(xué)系統(tǒng)，以便對象散進 行補償，并同時進行對位于遠(yuǎn)距離處的目標(biāo)進行勘測通常所要求的準(zhǔn)直 操作，其中，射束截面的平行對稱化也是有利的。因此，必須通過光學(xué) 系統(tǒng)1對發(fā)射點在這兩個軸上的發(fā)散進行校正或者補償，并且必須使得 即使在遠(yuǎn)距離上也能照射目標(biāo)。這里，將錐形二極管激光器用作射束源 所要求的象散校正與窄帶發(fā)射器中常用的射束干預(yù)措施不同，這是因為 在窄帶發(fā)射器情況下象散小兩個數(shù)量級并且不需要進行校正。
通過適當(dāng)設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)，也可以有效入射到單模光纖內(nèi)，從而能夠 與該光學(xué)系統(tǒng)無關(guān)地來定位錐形二極管激光器和脈沖的驅(qū)動電子設(shè)備。
為了在測地測距儀中操作錐形二極管激光器而采用電子脈沖電路作 為控制裝置，視渡越時間測量的測量速度和分辨率而定，該電子脈沖電 路在最高為lMHz的重復(fù)速率下輸出介于一納秒至幾十納秒之間的脈沖 寬度。由于錐形二極管激光器的發(fā)射面相對較大，在脈沖寬度為5至10ns 的情況下輸出功率可以超過25W，并且能夠?qū)崿F(xiàn)與產(chǎn)品相關(guān)的使用壽命。 因此，脈沖功率與寬帶發(fā)射器具有可比性，但射束密度高了將近20倍。
在對經(jīng)?？睖y的呈自然粗糙表面形式的非協(xié)調(diào)(nicht koopemtive) 目標(biāo)進行測量時，通過錐形二極管激光器的脈沖工作會出現(xiàn)影響到可實 現(xiàn)精度的問題。測地學(xué)上的精確測量通常要求小到亞毫米范圍的高精度 距離測量和應(yīng)當(dāng)盡可能地與材料表面或者特定入射點無關(guān)的高可重復(fù)性。
如果以電子脈沖方式驅(qū)動錐形二極管激光器，則在脊形波導(dǎo)起振過 程(Einschwingvorgang)期間，能量分布沿著激光的縱模是變化的。這 就導(dǎo)致，光譜分布隨著脈沖的持續(xù)時間而發(fā)生偏移，也就是說光譜分量 是時間相關(guān)的。這種相關(guān)性在粗糙表面情況下由于出現(xiàn)斑點而會影響測量精度或者可重復(fù)性(Wiederholgenauigkeit)。粗糙表面可能由于在觀察 平面中出現(xiàn)斑點而表現(xiàn)出強烈的光譜相關(guān)性，這將導(dǎo)致光譜不同的響應(yīng)。 由于因光譜相關(guān)的反射率而導(dǎo)致相應(yīng)地優(yōu)先反射脈沖的或早或晚部分， 結(jié)果是脈沖的可探測到的峰在其時間上的位置發(fā)生偏移。因此，該測量 與目標(biāo)的表面或者橫向位置相關(guān)。因此，可以借助于對脊形波導(dǎo)和錐形 波導(dǎo)獨立供電而實現(xiàn)對錐形二極管激光器的驅(qū)動的進一步優(yōu)化。在這種 情況下，二極管驅(qū)動器可以包括兩個部分，它們允許不同的驅(qū)動方式， 特別是允許提供不同的電流強度。脊形波導(dǎo)能夠保持在連續(xù)波模式下， 使得僅錐形波導(dǎo)被脈沖地驅(qū)動。
因為與在cw模式下幾個瓦特的設(shè)計相比，在脈沖模式下錐形二極管 激光器具有平均非常低的熱負(fù)荷(幾個毫瓦)，因此通?？梢院雎詫﹀F形 波導(dǎo)中的射束質(zhì)量具有嚴(yán)重負(fù)面影響的熱透鏡形成(thermische Linsenbildung )。
諸如脊形波導(dǎo)內(nèi)的DFB (分布式反饋)之類的柵結(jié)構(gòu)的引入，不但 允許空間單模，而且允許光譜單模(單頻)，這有助于對粗糙、非協(xié)調(diào)目 標(biāo)進行勘測，這是因為單頻工作不會引起斑點圖案的波動，這種波動特 別在部份遮蔽(Teilabschattimg)的情況下可能導(dǎo)致錯誤的距離信息。
通過應(yīng)用相應(yīng)驅(qū)動裝置，或者補充地通過對二極管激光器的調(diào)整以 及通過應(yīng)用考慮了錐形二極管激光器的特性的光學(xué)系統(tǒng)，錐形二極管激 光器也能夠用于測地設(shè)備，或者能夠改進所述錐形二極管激光器，使得 能夠在工作范圍、測量精度(在距離上和橫向上)以及測量速度方面獲 得提高，或者在相同參數(shù)情況下能夠降低開銷和復(fù)雜度。


下面，將結(jié)合在附圖中示意性示出的實施例，純粹示例性地更詳細(xì) 地描述根據(jù)本發(fā)明的電光測距儀和測地勘測設(shè)備以及適于該目的的根據(jù) 本發(fā)明的激光源。具體地說，
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的具有錐形二極管激光器的測距儀的示意圖； 圖2示出了在錐形二極管激光器中模分布隨電流脈沖的時間變化9圖3示出了由于斑點造成的粗糙目標(biāo)的反射率的光譜響應(yīng)圖； 圖4示出了激光脈沖的圖和兩個橫向位置的反射強度的曲線； 圖5示出了錐形二極管激光器的根據(jù)本發(fā)明的獨立供電的示意圖； 圖6示出了用于驅(qū)動錐形二極管激光器的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電路布置 的示意圖7示出了用于驅(qū)動錐形二極管激光器的電路布置的示意圖8示出了用于根據(jù)本發(fā)明來驅(qū)動錐形二極管激光器的電路布置的 示意圖9示出了用于根據(jù)本發(fā)明的測距儀的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的第一實施方 式的示意圖10示出了用于根據(jù)本發(fā)明的測距儀的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的第二實施 方式的示意圖ll示出了用于根據(jù)本發(fā)明的測距儀的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的第三實施方 式的示意圖12示出了用于根據(jù)本發(fā)明的測距儀的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的第四實施 方式的示意圖；以及
圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的測地勘測設(shè)備的示意圖。
具體實施例方式
圖l在示意圖中例示了具有錐形二極管激光器l的測距儀4的結(jié)構(gòu)。 該測距儀具有激光源控制裝置6和作為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)5的激光源的用于 發(fā)射激光射束的錐形二極管激光器1。激光射束作為測量射束MS而被發(fā) 射到待勘測的目標(biāo)ZI，從那里作為反射測量射束RS而被接收光學(xué)系統(tǒng)7 和探測器8部分地接收，由估算單元9針對至目標(biāo)ZI的距離對探測器8 的信號進行估算。根據(jù)本發(fā)明，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)5被形成為用于同時補償 由于錐形二極管激光器1的射束在快軸和慢軸上不同的發(fā)射位置所造成 的影響。因此，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)5進行象散補償，與此同時進行激光射束 的準(zhǔn)直。
在慢軸上看，連同脊形波導(dǎo)2和錐形波導(dǎo)3在內(nèi)地示出錐形二極管形波導(dǎo)3上。脊形波導(dǎo)2可以具有用于生成
光譜的和空間的單模(Monomodigkeit)的光譜反饋裝置，特別是具有縱 向折射率分布(Brechungsindexprofil)的周期性結(jié)構(gòu)。另選地，錐形二極 管激光器1還可以具有用于生成光譜的和空間的單模的外部光譜反饋裝 置，特別是通過脊形波導(dǎo)2的具有波長選擇元件的部分透光的出射局部 鏡(Bereichspiegel-Auskopplung)而生成光譜的和空間的單模。
激光源控制裝置6被形成為用于生成脈沖激光射束的脈沖電路，該 激光射束的脈沖持續(xù)時間小于500 ns并且其脈沖峰值功率大于1 W，在 這里，錐形二極管激光器1具有用于脊形波導(dǎo)和錐形波導(dǎo)的獨立供電系 統(tǒng)。結(jié)果，可以提供兩種不同的驅(qū)動方式，例如向脊形波導(dǎo)和錐形波導(dǎo) 提供不同的電流強度，使得能夠利用對脊形波導(dǎo)2的連續(xù)波驅(qū)動來操作 錐形二極管激光器。
圖2示出了在錐形二極管激光器中模分布關(guān)于電流脈沖J(t)的隨時間
的變化。如果錐形二極管激光器以電子脈沖的方式工作，則在激光的縱 模上的能量分布隨著脊形波導(dǎo)的起振過程的持續(xù)時間而變化，在圖2下 方通過波長范圍從960 nm至980 nm的時間相關(guān)的光譜分量例示了這種 情況。例如，這導(dǎo)致在各個激光脈沖的脈沖持續(xù)時間上光譜分布從長波 區(qū)域偏移至短波部分。
盡管通常非協(xié)調(diào)目標(biāo)在它們的光譜反射率中不會表現(xiàn)出陡峭的梯 度，但是表面的粗糙度可能由于在觀察平面中生成斑點而表現(xiàn)出對波長 的強相關(guān)，在圖3中示出了這種情況。示出了在相同距離但是兩個不同 橫向位置處，由斑點造成的粗糙目標(biāo)的反射率在光譜上的不同響應(yīng)。
在圖4中示出了激光脈沖以及兩個橫向位置的反射強度的變化對測 量的影響。在沿著粗糙目標(biāo)橫向移動測地設(shè)備的測量射束時，可能會由 于激光脈沖內(nèi)的光譜變化而導(dǎo)致所表示的距離發(fā)生顯著的改變。由于處 于短波光譜中的信號更強，所述短波光譜在所選用的脈沖的起始位置處 占主要部分，因此虛線表示的位置使得時間重心向著脈沖的起始位置偏 移，這導(dǎo)致與實線所示的第二種情況不同的渡越時間，進而導(dǎo)致不同的 測量距離。因此，脈沖光譜的時間變化通過對所接收的斑點圖案
ii(Speckle-Muster)的光譜相關(guān)而被轉(zhuǎn)換為測量距離的變化。因此，在非 協(xié)調(diào)目標(biāo)的情況下或者待勘測目標(biāo)的粗糙表面的情況下，如果針對不同 的橫向位置來測量完全相同的距離或者例如該目標(biāo)橫向地移動，那么在 脈沖變化期間的光譜變化對于完全相同的距離將導(dǎo)致變化的測量結(jié)果。
圖5示出了錐形二極管激光器的根據(jù)本發(fā)明的獨立供電系統(tǒng)的示意 圖。 一種避免這種消極影響測量精度的特性的可能方式是對脊形波導(dǎo)2 和錐形波導(dǎo)3進行獨立驅(qū)動或供電。對于通常要求高測量精度的測地應(yīng) 用而言，這里脊形波導(dǎo)2的連續(xù)波工作是有利的，這使得波長穩(wěn)定。在 這種連續(xù)波驅(qū)動的情況下，在錐形波導(dǎo)3的脈沖放大期間沿激光縱模的 光譜分布在時間上是恒定的。這種幾個安培的脈沖工作限于錐形波導(dǎo)3。
相應(yīng)的驅(qū)動電路例如由供電部11構(gòu)成，供電部分11具有用于脊形 波導(dǎo)2的直流電部12以及用于錐形波導(dǎo)3的脈沖驅(qū)動器13，在這里使用 公共電極14作為接地。
光譜分布的另一穩(wěn)定措施(用于生成脊形波導(dǎo)2的光譜的和空間的 單模)可以通過在脊形波導(dǎo)2內(nèi)的光譜反饋裝置來實現(xiàn)，具體地說可以 通過縱向折射率分布的周期性結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。這例如可以通過在DFB (分 布式反饋激光器)或者DBR (分布式布拉格反射激光器)的情況下典型 地設(shè)計沿著脊形波導(dǎo)的縱向折射率分布而實現(xiàn)。另選地或者另外地，可 以借助于脊形波導(dǎo)2的具有波長選擇元件(例如光柵或者棱鏡)的部分 透光的出射局部鏡而實現(xiàn)外部反饋。
圖6示出了用于驅(qū)動錐形二極管激光器的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的電路布置 的示意圖。開關(guān)元件16經(jīng)由作為光學(xué)元件的錐形二極管激光器4而短接 充有高電壓(典型地為20V至200V)的電容器15。然而，另選的是， 該光學(xué)元件也可以是在電流流過時發(fā)光的另一種部件，例如激光二極管、 LED或者閃光燈。在這里，將該能量的盡可能多的部分作為光脈沖輸出。 在如此生成激光脈沖之后，通過充電元件18對電容器15重新充電。
可以采用下列元件作為開關(guān)元件16，即，快速場效應(yīng)晶體管(FET)、 雪崩晶體管、雙極晶體管或者允許在低阻抗?fàn)顟B(tài)和高阻抗?fàn)顟B(tài)之間轉(zhuǎn)換 的其他元件。可以采用驅(qū)動器17來驅(qū)動該開關(guān)元件，在這里可以獨立地構(gòu)造驅(qū)動器17或者驅(qū)動器17可以是一個IC。
典型地采用電阻器作為向電容器15充電的充電元件18，也可以采 用在充電之后再次變成高阻抗的開關(guān)元件，例如晶體管。第一二極管19 具有兩個主要功能。第一二極管19 一方面用于對電容器15的充電電流 進行引導(dǎo)，另一方面被用作為光學(xué)元件4的脈沖電流的續(xù)流二極管。第 一二極管19抑制由光學(xué)元件4、電容器15和開關(guān)元件16構(gòu)成的回路中 的振蕩，并且避免在光學(xué)元件4上出現(xiàn)正電壓。
可選的耗散元件20用于更快速地耗散光學(xué)元件4的脈沖電流，耗散元 件20必須對于快速的大電流表現(xiàn)為電阻器。通常采用幾個歐姆的電阻器。 特別是在大電流情況下使用低阻抗激光二極管時必須要用到耗散元件20。
這種現(xiàn)有技術(shù)的電路布置的缺點在于，在充電元件18中損耗了要傳 遞到電容器15的能量中的50%。此外，要求有高電壓。
圖7示出了用于驅(qū)動作為光學(xué)元件4的錐形二極管激光器的經(jīng)改變 和簡化的電路布置，其中，生成了短時的(即，視乎光學(xué)元件4而定地 從100ps至幾個ns)并且更強的(即，從幾百mA至100A以上)電流 脈沖。在該電路布置中，與電感器21—起使用開關(guān)元件16，以便生成高 電壓?；驹硎牵谏杉す饷}沖之后，開關(guān)元件16并不立即重新變 成高阻抗，而是在特定時段內(nèi)保持低阻抗，亦即暫時地切換至低阻抗。 此時，輸入電壓減去第二二極管22和開關(guān)元件16上的電壓后的電壓出 現(xiàn)在電感器21上。因此，此時在電感器21中出現(xiàn)電流，從而能量存儲 在電感器21內(nèi)。如果現(xiàn)在開關(guān)元件16重新變?yōu)楦咦杩?，那么由于在?感器21內(nèi)有電流持續(xù)流動，該電流將僅流經(jīng)由電容器15、第一二極管 19和耗散元件20限定的路徑，從而能量就從電感器21傳遞至電容器15。 第二二極管22防止了能量從電容器15流回電感器21?，F(xiàn)在向電容器15 充電，并且可以如圖6所示的電路布置那樣輸出光脈沖。因此，電感器 21被用作為能量的臨時存儲器，可以通過電感器21的電感值來設(shè)定"在 多長時間內(nèi)存儲多少能量"以及"以多快速度向電容器15輸送能量"。 因此，按如下方式形成錐形二極管激光器的供電系統(tǒng)，即，在發(fā)射激光 脈沖之后，將用于向電容器15充電的開關(guān)元件16暫時地切換到低阻抗?fàn)顟B(tài)，電容器15通過電感器21充電。該電路布置相對于圖6所示的現(xiàn)有技術(shù)的電路布置的優(yōu)點在于無需外部的高電壓，借助于電感器21就能夠以低得多的損失向電容器15充電，并且在充電期間能夠毫無問題地改變脈沖功率。在諧振工作的情況下，也可以省略該電路布置中的第二二極管22。
圖8示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的用于驅(qū)動錐形二極管激光器的另一種經(jīng)過改變的電路布置。該電路布置被用于分別向錐形二極管激光器的兩個區(qū)域供電或者分別驅(qū)動錐形二極管激光器的兩個區(qū)域。這種錐形二極管激光器具有兩個陽極端子或者兩個陰極端子， 一個脈沖端子4a和一個直流端子4b。在這里，該電路布置連接到脈沖端子4a，而通常呈受控電流源或者電流受控的電壓源形式的直流源23連接到直流端子4b。因此，該供電裝置具有用于脊形波導(dǎo)的直流源23，從而該脊形波導(dǎo)能夠保持在連續(xù)波工作中。
原則上，圖6至圖8所示的電路布置還適于驅(qū)動和向工作在脈沖模式下的其他元件供電并且也適于其他應(yīng)用目的，而與這些電路布置是和錐形二極管激光器一起使用還是用在測距儀中無關(guān)。特別是，這些電路布置還可以與其他類型的激光二極管或者發(fā)光部件一起使用。
圖9是利用從快軸和慢軸來看疊加的視圖或者光路而示出在發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的第一實施方式中對錐形二極管激光器進行象散補償以及對激光射束進行(平行)準(zhǔn)直的示意圖。從錐形波導(dǎo)3發(fā)射的射束在快軸光路FA中通過柱面透鏡24匹配于慢軸光路SA的發(fā)散度，優(yōu)選地呈非球面的在后的透鏡25對這兩個軸的激光射束進行準(zhǔn)直，并且可選地經(jīng)由另一個光學(xué)部件將該激光射束作為測量射束發(fā)射至待勘測的目標(biāo)。以第一實施方式為例可以如下給定光學(xué)參數(shù)。在快軸中，柱面透鏡24被形成為直徑為250um、f= 170 P m的梯度折射率柱面透鏡(Gradientenindex-Zylinderlinse)，并且定位在距發(fā)射面大約20 U m的距離處。透鏡25是焦距為19 mm且直徑為6 mm的非球面透鏡，并且布置在柱面透鏡24之后大約17 mm的距離處。柱面透鏡24的位置偏離了準(zhǔn)直位置幾個um，以便允許與慢軸的發(fā)散度接近的7°的殘留發(fā)散度(Restdivergenz)。因此，柱面透鏡
1424稍微失調(diào)，并通過柱面透鏡24和非球面透鏡25的特定組合實現(xiàn)快軸 的準(zhǔn)直。對稱的射束直徑可以通過選擇透鏡焦距而獲得。隨后，非球面 透鏡對射線束進行準(zhǔn)直。射束直徑是4.5 mm并且衍射被限定為0.1 mrad。
圖10同樣利用從快軸和慢軸來看疊加的視圖或者光路示出了用于 根據(jù)本發(fā)明的測距儀的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的第二實施方式。在該實施方式中， 使用兩個柱面透鏡的組合作為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，這兩個柱面透鏡被形成和 布置為使得第一柱面透鏡26對快軸光路FA的激光射束進行準(zhǔn)直，第二 柱面透鏡27對慢軸光路SA進行準(zhǔn)直。因此，彼此獨立地對慢軸和快軸 的光路進行準(zhǔn)直，這也使得能夠以特定軸的方式將錐形二極管激光器中 不同的發(fā)射位置及其象散考慮在內(nèi)。
圖ll示出了用于根據(jù)本發(fā)明的測距儀的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的第三實施方 式。在該光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用球面透鏡28 (或者由于快軸的高發(fā)散度而應(yīng)用 非球面透鏡)和柱面透鏡29。將透鏡28的焦距選擇為使得在快軸光路 FA的發(fā)散度已知的情況下，在該軸的準(zhǔn)直位置上實現(xiàn)所期望的直徑(對 于測地應(yīng)用來說為幾個mm)。由于其是球面透鏡，折射能力也對慢軸有 影響，并導(dǎo)致中間圖像(Zwischenbild)。將柱面透鏡29 (由于發(fā)散度較 小通常不必將其形成為非球面)的折射能力選擇為使得快軸光路FA的射 束直徑對應(yīng)于慢軸光路SA的射束直徑，從而產(chǎn)生對稱的射束截面。這里， 慢軸的中間圖像位于柱面透鏡29的焦平面上。由柱面透鏡29和設(shè)置在 其前方的特別是呈非球面的透鏡28構(gòu)成的組合改變了發(fā)射，使得透鏡28 對快軸的激光射束進行準(zhǔn)直，而柱面透鏡29對慢軸的激光射束進行準(zhǔn)直。
圖12示出了在從快軸和慢軸來看疊加的視圖或者光路中的發(fā)射光 學(xué)系統(tǒng)的第四實施方式。在該實施方式中，通過單個衍射元件30來代替 兩個透鏡的順序布置方式，面對錐形二極管激光器的端面30a或者正面 被形成為使得快軸光路FA的發(fā)散度配合于慢軸光路SA的發(fā)散度，并且 遠(yuǎn)離錐形二極管激光器的端面30b或者背面對這兩個軸的激光射束進行 準(zhǔn)直。另選地，第二實施方式的光路也可以通過單個元件來實現(xiàn)。于是， 以如此方式集成的光學(xué)系統(tǒng)將衍射元件30的第一端面30a上的發(fā)散度調(diào) 整柱面透鏡或者快軸準(zhǔn)直柱面透鏡的效果與折射元件30的第二端面30b上的旋轉(zhuǎn)對稱透鏡或者第二柱面透鏡的效果組合起來，從而僅需要一個光學(xué)元件用于射束成形。
在圖9至12中所示的光學(xué)系統(tǒng)原則上也可以與由獨立供電系統(tǒng)驅(qū)動的錐形二極管激光器一起使用，而與光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用無關(guān)。特別是這些發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)也可以與其他類型的錐形二極管激光器一起使用，用于象散校正和準(zhǔn)直。
圖13示出了作為根據(jù)本發(fā)明的測地勘測設(shè)備31的一個示例的視距儀的示意圖，該視距儀包括電光測距儀，在該示例中該電光測距儀的部
件和功能以分布式方式設(shè)置在勘測設(shè)備31內(nèi)，因此在結(jié)構(gòu)上被集成在一起。測距儀的發(fā)射部件4'(即具有激光源控制裝置和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的激光源)和光學(xué)系統(tǒng)32以及用于檢測待勘測目標(biāo)的探測器8'作為組件位于勘測設(shè)備31的殼體內(nèi)。
激光射束是由用于生成射束的錐形二極管激光器和布置在其后的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射的，并且經(jīng)由射束偏轉(zhuǎn)元件33入射到勘測設(shè)備31的光學(xué)系統(tǒng)32內(nèi)。用于檢測和勘測目標(biāo)的光學(xué)系統(tǒng)32具有物鏡32a和目鏡32b。在這些部件之間設(shè)置有聚焦元件32c和反射偏轉(zhuǎn)裝置32d，借助于這些部件，從發(fā)射部分4'發(fā)出并入射到光學(xué)系統(tǒng)32的光路內(nèi)的射束經(jīng)由物鏡32a而發(fā)射出來。從目標(biāo)反射回的射束進而被物鏡32a獲得，并且該射束的一部分被反射偏轉(zhuǎn)裝置32d引導(dǎo)至探測器8'。
在該系統(tǒng)中，發(fā)射部件4'的射束能夠與探測器8'協(xié)作而用于測量至目標(biāo)的距離。所示的實施例僅為根據(jù)本發(fā)明的測地勘測設(shè)備的多種可能實施方式中的一種，并且被用于示例性地說明這些部件的一種可能的協(xié)同工作方式。
應(yīng)當(dāng)明白，所示附圖僅示意性示出可能的實施方式的示例。因此，根據(jù)本發(fā)明，所采用的部件也能夠以其他組合方式和排列順序來應(yīng)用。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員采用例如具有衍射效果的補充的或者另選的光學(xué)部件，以及通常在激光物理或者激光技術(shù)中采用的具有相同或相似效果或者功能的部件，都將落入本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種電光測距儀(4)，其包括·具有激光源控制裝置(6)的激光源，用以生成脈沖持續(xù)時間小于500ns并且脈沖峰值功率大于1W的脈沖激光射束，·發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)(5)，用于將作為測量射束(MS)的激光射束發(fā)射到待勘測的目標(biāo)(ZI)，·具有估算單元(9)的探測器(8，8')和接收光學(xué)系統(tǒng)(7)，用于接收和估算由目標(biāo)(ZI)反射的測量射束(RS)，以便進行測距，其特征在于，所述激光源具有錐形二極管激光器(1)，該錐形二極管激光器(1)具有用于脊形波導(dǎo)(2)和錐形波導(dǎo)(3)的獨立供電系統(tǒng)，并且其特征還在于，所述發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)(5)被形成為用于對激光射束進行象散補償和準(zhǔn)直。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測距儀(4)，其特征在于，所述獨立供電 系統(tǒng)向所述脊形波導(dǎo)(2)和所述錐形波導(dǎo)(3)提供兩個不同的電流強 度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測距儀(4)，其特征在于，所述錐形 二極管激光器(1)具有用于所述脊形波導(dǎo)(2)的連續(xù)波驅(qū)動。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項所述的測距儀(4)，其特征在于， 所述錐形二極管激光器(1)具有在所述脊形波導(dǎo)(2)內(nèi)用于生成光譜 的和空間的單模的光譜反饋裝置，特別是具有縱向折射率分布的周期性 結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任意一項所述的測距儀(4)，其特征在于， 所述錐形二極管激光器(1)具有外部光譜反饋裝置，用于生成光譜的和 空間的單模，特別是通過所述脊形波導(dǎo)(2)的具有波長選擇元件的部分 透光的出射局部鏡來生成光譜的和空間的單模。
6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的測距儀(4),其特征在于， 如此形成具有用于向所述錐形二極管激光器提供能量的電容器(15)的所述供電系統(tǒng)，即，在發(fā)射激光脈沖之后，用于向所述電容器(15)充電的開關(guān)元件(16)被暫時地切換至低阻抗，其中，所述電容器(15) 經(jīng)由電感器(21)而充電。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的測距儀(4)，其特征在于， 所述供電系統(tǒng)具有用于所述脊形波導(dǎo)(2)的直流源(23)，特別是具有 受控電流源或者電流受控的電壓源。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的測距儀(4)，其特征在于， 所述發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)(5)具有下列另選方式中的一種 由柱面透鏡(24)和布置在其后方的特別是非球面的透鏡(25) 構(gòu)成的組合，其中，-形成并設(shè)置所述柱面透鏡(24)、特別是梯度折射率柱面透鏡或 者非球面柱面透鏡，使得快軸的發(fā)散度配合于慢軸的發(fā)散度，并 且-所述透鏡(25)對這兩個軸的激光射束進行準(zhǔn)直； 由兩個柱面透鏡(26、 27)構(gòu)成的組合，形成并設(shè)置這兩個柱面 透鏡，使得-第一柱面透鏡(26)對快軸的激光射束進行準(zhǔn)直，并且 -第二柱面透鏡(27)對慢軸的激光射束進行準(zhǔn)直； 由柱面透鏡(29)和布置在其前方的特別是非球面的透鏡(28)構(gòu)成的組合，其中，-所述透鏡(28)對快軸的激光射束進行準(zhǔn)直，并且 -所述柱面透鏡(29)對慢軸的激光射束進行準(zhǔn)直； 一體式或者多部件式衍射元件(30)，其中， -面對所述錐形二極管激光器(1)的端面(30a)被形成為，使得 快軸的發(fā)散度配合于慢軸的發(fā)散度，并且-遠(yuǎn)離所述錐形二極管激光器(1)的端面(30b)對這兩個軸的激 光射束進行準(zhǔn)直。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的測距儀(4)，其特征在于， 所述發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)(5)被形成為用于生成基本呈圓形或者正方形射束截面的激光射束。
10. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任意一項所述的測距儀(4)，其特征在于， 所述發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)(5)具有用于引導(dǎo)射束的單模光纖。
11. 一種測地勘測設(shè)備(16)，特別是整合式工作站、視距儀或者激 光掃描器，其特征在于根據(jù)權(quán)利要求1至10中任意一項所述的測距儀。
12. —種在具有激光源的測距儀(4)內(nèi)生成脈沖持續(xù)時間小于500 ns 且脈沖峰值功率大于1W的脈沖激光射束的方法，該激光源具有用于將 作為準(zhǔn)直后的測量射束(MS)的激光射束發(fā)射至待勘測目標(biāo)(ZI)的發(fā) 射光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，所述激光源具有錐形二極管激光器(1)，該 錐形二極管激光器(1)的脊形波導(dǎo)(2)和錐形波導(dǎo)(3)被獨立地驅(qū)動。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于所述脊形波導(dǎo)(2) 的連續(xù)波工作。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于通過光譜反饋 裝置來生成光譜的和空間的單模。
15. 根據(jù)權(quán)利要求12至14中任意一項所述的方法，其特征在于， 開關(guān)元件(16)被暫時地切換至低阻抗?fàn)顟B(tài)，其中，所述開關(guān)元件(16) 用于經(jīng)由電感器(21)向電容器(15)充電，該電容器被用于向所述錐 形二極管激光器提供能量。
全文摘要
一種電光測距儀(4)，其具有作為激光源的錐形二極管激光器(1)；用于生成脈沖激光射束的激光源控制器(6)；具有估算單元(9)的探測器(8)和接收光學(xué)系統(tǒng)(7)，用于接收和估算由目標(biāo)(ZI)反射的測量射束(RS)以便進行測距，所述電光測距儀具有用于脊形波導(dǎo)(2)和錐形波導(dǎo)(3)的獨立供電系統(tǒng)，并具有對激光射束進行象散補償和準(zhǔn)直的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)(5)。
文檔編號G01C3/00GK101490503SQ200780027100
公開日2009年7月22日 申請日期2007年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月17日
發(fā)明者勞倫特·施陶費爾, 彼得·基佩弗, 托馬斯·延森, 雷托·施圖茨 申請人:萊卡地球系統(tǒng)公開股份有限公司