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Stand
der Technik
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur optischen Distanzmessung
nach dem Oberbegriff des unabhängigen
Anspruchs.
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Optische
Entfernungsmessgeräte
als solche sind seit längerer
Zeit bekannt und werden inzwischen auch kommerziell in hoher Stückzahl vertrieben.
Diese Geräte
senden einen modulierten Lichtstrahl aus, der auf die Oberfläche eines
gewünschten Zielobjektes,
dessen Abstand zum Gerät
zu ermitteln ist, ausgerichtet wird. Das von dem angepeilten Zielobjekt
reflektierte oder gestreute, rücklaufende
Licht wird vom Gerät
teilweise wieder detektiert und zur Ermittlung des gesuchten Abstandes
verwendet.
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Der
Anwendungsbereich derartiger Entfernungsmessgeräte umfasst im Allgemeinen Entfernungen
im Bereich von einigen wenigen Zentimetern bis zu mehreren hundert
Metern.
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In
Abhängigkeit
von den zu messenden Laufstrecken und der Rückstrahlfähigkeit des Zielobjektes ergeben
sich unterschiedliche Anforderungen an die Lichtquelle, die Qualität des Mess-Strahls
sowie an den Detektor.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten optischen Entfernungsmessgeräte lassen
sich grundsätzlich
entsprechend der Anordnung der im Gerät notwendigerweise vorhandenen
Sende- bzw. Empfangskanäle
in zwei Kategorien einteilen.
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Zum
einen gibt es Vorrichtungen, bei denen der Sendekanal in einem gewissen
Abstand zu dem Empfangskanal angeordnet ist, sodass die jeweiligen optischen
Achsen parallel zueinander, aber beabstandet voneinander verlaufen.
Zum anderen gibt es monoaxiale Messvorrichtungen, bei denen der
Empfangskanal koaxial zum Sendekanal verläuft.
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Die
erstgenannten biaxialen Mess-Systeme haben den Vorteil, dass es
einer aufwendigen Strahlungsteilung zur Selektion des rücklaufenden Mess-Signals
nicht bedarf, sodass beispielsweise auch ein optisches Übersprechen
aus dem Sendekanal direkt in den Empfangskanal besser unterdrückt werden
kann.
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Andererseits
besteht bei biaxialen Entfernungsmessgeräten unter anderem der Nachteil,
dass es im Bereich kurzer Messentfernungen aufgrund einer Parallaxe
zu Detektionsproblemen kommen kann. Dabei wandert die Abbildung
des Zielobjektes auf der Detektoroberfläche des Gerätes, die für große Zielentfernungen noch eindeutig
auf dem Detektor liegt, mit kürzer
werdender Messentfernung zunehmend von der optischen Achse des Empfangsastes
weg und erfährt
zudem eine deutliche Änderung des
Strahlquerschnittes in der Detektorebene.
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Dies
bedingt, dass ohne weitere Maßnahmen
am Gerät,
im Nahbereich der Detektion, d.h. für einen kleinen Abstand zwischen
Zielobjekt und Messgerät,
das detektierte Mess-Signal gegen Null gehen kann.
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Derartige
Messgeräte
können
zwar für
einen bestimmten Entfernungsbereich optimiert werden, dies bedeutet
jedoch dann eine deutliche Einschränkung des dem Messgeräts eigentlich
zugänglichen Messbereichs.
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Aus
der
DE 10 130 763
A1 ist eine Vorrichtung zur optischen Distanzmessung über einen
großen
Messbereich bekannt, die eine Sendeinheit mit einer Lichtquelle
zur Aussendung modulierter, optischer Strahlung auf ein Zielobjekt
hin aufweist, wobei die in diesem Messgerät angeordnete Empfangseinheit
mit einem optischen Detektor zum Empfang der vom Zielobjekt rücklaufenden
optischen Strahlung auf einer zur optischen Achse der Sendeeinheit
beabstandeten Empfangsachse liegt. Die aktive, lichtempfindliche
Fläche
des Detektors der Empfangseinheit der
DE 10 130 763 A1 verjüngt sich
in Richtung einer Strahlverschiebung für kleiner werdende Zielobjektabstände, die
sich aufgrund einer Parallaxe der rücklaufenden Mess-Strahlung
ergibt.
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Aus
der
DE 10 051 302
A1 ist ein Laserentfernungsmessgerät für den Nah- und Fernbereich
mit einem speziellen Empfänger
bekannt, der einen Sende- und einen Empfangskanal auf weist, wobei
der Sendekanal aus einem Sendeobjektiv, in dessen Brennpunkt eine
Laserlichtquelle angeordnet ist, besteht, und der Empfangskanal
aus einem Empfangsobjektiv besteht, in dessen Brennebene sich eine Empfängeranordnung
befindet. Die optischen Achsen des Sendeobjektives und des Empfangsobjektives
verlaufen parallel zueinander mit einem endlichen Abstand. Die Empfängeranordnung
des Laserentfernungsmessgerätes
der
DE 100 51 302
A1 ist eine Fotodioden-Chipanordnung mit mindestens zwei
aktiven Fotodiodenflächen,
die auf einer Geraden angeordnet sind, die die optischen Achsen
des Sende- und des Empfangobjektives dieser Vorrichtung schneidet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik
bei einer Vorrichtung zur optischen Distanzmessung zu gewährleisten,
dass über
einen möglichst
großen
Messbereich, ein möglichst
konstantes Empfangssignal gemessen werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur optischen Distanzmessung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur optischen Distanzmessung weist eine Sendeeinheit mit einer Lichtquelle
zur Aussendung optischer Strahlung, insbesondere modulierter optischer
Messstrahlung, und eine zur optischen Achse dieser Sendeeinheit
beabstandete Empfangseinheit mit zumindest einem optischen Detektor
auf. Der Detektor der Empfangseinheit weist in vorteilhafter Weise
eine Mehrzahl von voneinander getrennten, insbesondere voneinander
elektrisch getrennten, lichtempfindlichen Flächen auf, die im Betrieb der
Vorrichtung getrennt voneinander aktivierbar sind.
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Durch
das Anlegen einer Spannung kann die lichtempfindliche Fläche eines
optischen Detektors, die typischerweise aus zumindest einem Halbleitermaterial
besteht, aktiviert werden. Das heißt, auf die lichtempfindliche
Fläche
des Detektors auftreffendes Licht wird typischerweise in ein elektrisches
Signal verwandelt und kann so über
eine nachgeordnete elektronische Schaltung detektiert werden.
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Dazu
besitzt die erfindungsgemäße Vorrichtung
Schaltmittel, die es ermöglichen,
einzelne oder mehrere Teilflächen
der lichtempfindlichen Fläche des
Detektors an- bzw. Abzuschalten.
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Durch
das Abschalten von nicht, oder lediglich teilweise genutzten Fotodiodenflächen kann
das Rauschen, welches aufgrund von auf den Detektor auftreffendem
Fremdlicht prinzipiell erzeugt wird, deutlich verringert werden,
da nur diejenigen lichtempfindlichen Flächen benutzt werden, auf die
das für
die Messung wesentliche Nutzlicht auftrifft. Insbesondere kann dabei
in vorteilhafter Weise lediglich auch nur eine einzelne lichtempfindliche
Fläche
aktiviert werden.
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Des
Weiteren verringert sich aufgrund der kleineren im Betrieb aktiven
Fotodiodenfläche
auch die elektrische Kapazität
der Fotodiode und somit des Detektionssystems. Daher kann die Fotodiode mit
einer höheren
Frequenz betrieben werden, was wiederum zu einer höheren Messgenauigkeit
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur optischen Distanzmessung führt.
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Damit
ist eine Erweiterung des für
dieses Messgerät
zugänglichen
Messbereichs auf einfache und zuverlässige Weise möglich.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
und Weiterentwicklungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich
aus den in den Unteransprüchen
aufgeführten
Merkmalen.
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In
vorteilhafter Weise sind jeweils nur diejenige lichtempfindliche
Fläche
oder diejenigen lichtempfindlichen Flächen der Mehrzahl von lichtempfindlichen
Flächen
des Detektors aktiv, auf die der größte Anteil der rücklaufenden
optischen Mess-Strahlung auftrifft. Dies ermöglicht, dass ein ausreichend
starkes Mess-Signal detektiert werden kann, wobei gleichzeitig der
Anteil von Fremdlicht, der auf die ungenutzten Bereiche der lichtempfindlichen
Fläche des
Detektors auftrifft, deutlich reduziert werden kann. Dies ermöglicht ein
besseres Signal zu Rauschverhältnis
im detektierten Mess-Signal, sodass sowohl die Auflösung des
Messgerätes
als auch der dem Messgerät
zugänglichen
Entfernungsbereich deutlich verbessert werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist Mittel auf, die es ermöglichen
einzelne lichtempfindliche Flächen
des Detektors an- bzw. abzuschalten. Die Aktivierung der jeweiligen
lichtempfindlichen Fläche
kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass für jede Fläche – bei einer gemeinsamen Masse – ein Anschluss
nach außen,
d.h. beispielsweise aus dem Diodengehäuse geführt wird. Somit kann durch
Kontaktierung des entsprechenden Anschlusses beeinflusst werden,
welche Fläche
aktiviert und somit verwendet werden soll. Alternativerweise ist
es möglich, bei
mehreren Flächen
einen Multiplexer direkt in die Fotodiode zu integrieren.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
verjüngt
sich die Einhüllende
der lichtempfindlichen Flächen
des Detektors in Richtung einer Strahlverschiebung für kleiner
werdende Zielobjektabstände,
die sich aufgrund einer Parallaxe der rücklaufenden Strahlung ergibt.
Die Einhüllende
ist dabei eine hypothetische Kurve, die sich mit minimalem Abstand
um den Rand der Lichtempfindlichen Flächen des Detektors legen lässt. Auf
diese Weise kann sichergestellt werden, dass für jeden Objektabstand hinreichend Mess-Signal
auf die jeweils gerade aktive Teilfläche des Detektors fällt. Insbesondere
ist die Form der gesamten optischen Detektionsfläche so gewählt, dass auch im Nahbereich
Signal ausreichender Amplitude auf der Detektoroberfläche vorliegt.
Dies führt
zu einer weiteren Verbesserung des Verhältnisses von Nutzlicht zu Fremdlicht,
sodass auch aus diesem Grunde die Messgenauigkeit der Vorrichtung
im unmittelbaren Nahbereich erhöht
und damit der dem Gerät
zugängliche
Messbereich erweitert wird.
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In
alternativen Ausführungsformen
kann sich die Einhüllende
jedoch auch in Richtung der Strahlverschiebung für kleiner werdende Zielobjektabstände, die
sich aufgrund einer Parallaxe der rücklaufenden Strahlung ergibt,
erweitern. Dies kann dann insbesondere den Effekt des vergrößerten Messstrahldurchmessers
für kleiner
werdende Objektabstände kompensieren.
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Die
Einhüllende
der lichtempfindlichen Flächen
des Detektors weist in vorteilhafter Weise eine Symmetrieachse auf,
die in der gemeinsamen Ebene der optischen Achsen von Sendeeinheit
und Empfangseinheit der Vorrichtung liegt. Dadurch, dass der vom
Zielobjekt rücklaufende
Mess-Strahl für
einen kleiner werdenden Objektabstand lateral in der gemeinsamen
Ebene der optischen Achsen von Sendeeinheit und Empfangseinheit
auswandert, wird der Detektor in vorteilhafter Weise eine in dieser
Richtung elongierte Form haben. Auf diese Weise wird der Abhängigkeit
der Richtung des rücklaufenden Mess-Signals
von der Entfernung des Messgeräts von
einem Zielobjekt Rechung getragen. Vorteilhafterweise wird die Größe der lichtempfindlichen
Flächen
des Detektors der Empfangseinheit dabei so gewählt, dass noch genügend Signal,
beispielsweise auch im Nahbereich, auf die jeweilige aktive Teilfläche des
Detektors fällt.
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Dies
ermöglicht
darüber
hinaus in vorteilhafter Weise auch der Abhängigkeit der Stärke des
rücklaufenden
Mess-Signals von der Entfernung des Messgeräts zum Zielobjekt Rechnung
zu tragen.
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Aufgrund
des zugrunde liegenden Abstands-Quadratgesetzes für die Änderung
der Intensität
mit der zurückgelegten
Laufstrecke ist das rücklaufende
Mess-Signal für
den Nahbereich deutlich größer als
für Zielobjekte,
die sich weit entfernt von der Messvorrichtung befinden.
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Die
Ausdehnung der Einhüllenden
aller lichtempfindlichen Flächen
des Detektors senkrecht zur gemeinsamen Ebene der optischen Achsen
von Sende- und Empfangseinheit kann daher in dem Maße abnehmen,
wie das Lichtsignal aufgrund der kürzeren Laufstrecke im Nahbereich
zunimmt. Dies hat zudem den Vorteil, dass aufgrund der reduzierten
Ausdehnung des Detektors zwar noch genügend Licht aus dem Nahbereich
auf den Detektor fällt,
dass aber der Detektor aufgrund seiner in dieser Richtung kleiner
werdenden aktiven lichtempfindlichen Flächen nicht durch das Licht
aus dem Nahbereich übersteuert
werden kann.
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Dieser
Effekt wird nur begrenzt durch den gegenläufigen Effekt, dass aufgrund
der schlechteren Fokussierung des rücklaufenden Messstrahlenbündels bei
kürzeren
Objektabständen,
der Durchmesser des Messstrahlenbündels stark zunimmt, und daher
die auf eine kleine Detektorfläche
auftretende Leistungsdichte des rücklaufenden Messsignals gegebenenfalls
zu gering werden könnte.
In einem solchen Fall ist ein Detektor vorteilhaft, bei dem sich
die Einhüllende
der lichtempfindlichen Teilflächen
des Detektors in Richtung der Strahlverschiebung für kürzer werdende
Objektabstände
nicht verjüngt,
sondern gerade erweitert.
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Bei
der Größe der Fläche des
Detektors bzw. der Größe der einzelnen
empfindlichen Teilflächen des
Detektors sollte nur sichergestellt sein, dass die wirksame Fläche, d.h.
eine aktive Fläche
in dem Bereich des Detektors, indem Licht von weit entfernten Zielobjekten
auf die Detektoroberfläche
auftrifft, groß genug
ist, um in diesem Fall möglichst
das gesamte Signal zu detektieren, da weit entfernte Messobjekte zu
einem relativ schwachen Detektionssignal führen. Dies ist ebenfalls eine
Konsequenz aus dem Abstandsquadratgesetz, dem die detektierte Intensität unterliegt.
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Die
laterale Ausdehnung der aktiven Flächen des Detektors sollte entsprechend
so groß sein,
dass noch genügend
Licht aus dem unmittelbaren Nahbereich der Detektion auf die jeweils
aktive Detektionsfläche
gelangt. Aufgrund des hohen Signalpegels, welcher sich wegen der
kurzen Wegstrecken im Nahbereich ergibt, ist es in diesem Fall nicht
notwendig, die volle Signalstärke
zu detektieren.
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Ein
weiterer Vorteil der beanspruchten Vorrichtung ist der, dass die
elektrisch-kapazitiven Eigenschaften des Detektors des Messgerätes aufgrund
der erfindungsgemäßen Form
der aktiven Detektionsflächen
positiv beeinflusst werden. Eine zu große aktive Detektoroberfläche würde die
elektrische Kapazität
des Detektors erhöhen,
sodass die zeitliche Ansprechcharakteristik, bzw. äquivalent dazu
der Frequenzgang des Mess-Systems nicht mehr den benötigten Erfordernissen
der Zeit- bzw. Frequenzauflösung
des Mess-Systems entsprechen würde.
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In
vorteilhafter Weise lässt
sich die erfindungsgemäße Vorrichtung
zur optischen Distanzmessung durch die Verwendung eines Lasers,
insbesondere einer Laserdiode als Lichtquelle realisieren. Laser
und im speziellen Laserdioden sind über den gesamten sichtbaren
Spektralbereich der elektromagnetischen Wellen mittlerweile kostengünstig erhältlich.
Im Besonderen eignen sich Laserdioden wegen ihrer kompakten Größe und auch
verhältnismäßig hohen
Ausgangsleistungen für
die Verwendung in Vorrichtungen zur optischen Distanzmessung, insbesondere
in derartigen, hand gehaltenen Vorrichtungen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur optischen Distanzmessung ermöglicht
somit ein möglichst
konstantes Empfangs- bzw. Detektionssignal über einen großen Messbereich
von Entfernungen zwischen der Vorrichtung und einem Zielobjekt.
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Weitere
Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind der nachfolgenden Zeichnung sowie der zugehörigen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
angegeben.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
dargestellt. Die Beschreibung, die zugehörigen Figuren sowie die Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale,
insbesondere auch die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele,
auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen
zusammenfassen.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematisierte Ansicht auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur optischen Distanzmessung,
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2 eine
schematische Darstellung der Variation des Mess-Strahlenbündels in
der Detektionsebene bei Variation des Messobjektabstandes,
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3 eine
Aufsicht auf die Detektoroberfläche
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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4 eine
Aufsicht auf eine alternative Ausführungsform eines Detektors
für eine
erfindungsgemäßen Vorrichtung
in schematischer Darstellung,
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5 eine
weitere Ausführungsform
für den Detektor
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
in schematischer Darstellung,
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6 eine
weitere Ausführungsform
für den Detektor
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
in schematischer Darstellung,
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7 eine
weitere Ausführungsform
für den Detektor
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
in schematischer Darstellung,
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8 eine
weitere Ausführungsform
für den Detektor
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
in schematischer Darstellung,
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
in schematisierter Weise eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen
Distanzmessung mit den wichtigsten Komponenten zur Beschreibung
ihrer Funktion dargestellt. Das erfindungsgemäße Gerät 10 weist ein Gehäuse 11 auf,
in dem eine Sendeeinrichtung 12 zur Erzeugung eines Mess-Signals 13 sowie
eine Empfangseinrichtung 14 zur Detektion des von einem
Zielobjekt 15 rücklaufenden
Mess-Signals 16 angeordnet sind.
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Die
Sendeeinrichtung 12 beinhaltet eine Lichtquelle 17,
die im Ausführungsbeispiel
der 1 durch eine Halbleiter-Laserdiode 18 realisiert
ist. Die Verwendung anderer Lichtquellen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist aber ebenso möglich.
Die Laserdiode 18 sendet einen Laserstrahl 20 in
Form eines für
das menschliche Auge sichtbaren Lichtbündels 22 aus.
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Die
Laserdiode 18 wird dazu über ein Steuergerät 24 betrieben,
das durch eine entsprechende Elektronik eine Modulation des elektrischen
Eingangssignals 19 der Diode 18 erzeugt. Durch
eine derartige Modulation des Diodenstroms lässt sich erreichen, dass das
optische Mess-Signal 13, welches zur Entfernungsmessung
genutzt wird, ebenfalls in gewünschter
Weise moduliert wird.
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Das
Laserstrahlbündel 20 durchläuft anschließend eine
Kollimationsoptik 26 in Form eines Objektivs 28,
das in der 1 in vereinfachter Weise in
Form einer einzelnen Linse 30 dargestellt ist. Das Objektiv 28 befindet
sich in diesem Ausführungsbeispiel
optional auf einer Verstellmimik 32, die prinzipiell eine Änderung
der Position des Objektivs in allen drei Raumrichtungen, beispielsweise
zu Justagezwecken ermöglicht.
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Alternativ
kann die Kollimationsoptik 26 jedoch auch bereits Bestandteil
der Laserdiode 18 sein bzw. fest mit dieser verbunden sein.
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Nach
Durchlaufen des Objektivs 28 ergibt ein beispielsweise
amplitudenmoduliertes Signal 13 in Form eines parallelen
Lichtbündels 37,
das sich entlang der optischen Achse 38 der Sendeeinheit 12 ausbreitet,
wie es in 1 schematisch dargestellt ist.
Im Sendeast 12 der erfindungsgemäßen Vorrichtung befindet sich
zudem noch eine vorzugsweise schaltbare Strahlumlenkung 40,
die es gestattet, das Mess-Signal 13 unter Umgehung eines
Zielobjekts direkt, d.h. geräteintern
auf die Empfangseinheit 14 des Gerätes 10 umzulenken.
Auf diese Weise wird eine geräteinterne
Referenzstrecke 42 erzeugt, die eine Kalibrierung bzw.
einen Abgleich des Mess-Systems gestattet.
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Wird
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine
Distanzmessung durchgeführt,
verlässt
der Mess-Strahl 13 das Gehäuse 11 der erfindungsgemäßen Vorrichtung
durch ein optisches Fenster 44 in der Stirnwand 45 des
Gerätes 10.
Die Öffnung
des optischen Fensters kann beispielsweise durch einen Shutter 46 gesichert
sein. Zur eigentlichen Messung wird das Messgerät 10 sodann auf ein
Zielobjekt 15 ausgerichtet, dessen Entfernung 48 zum
Messgerät ermittelt
werden soll. Das an dem gewünschten
Zielobjekt 15 reflektierte oder auch gestreute Signal 16 bildet
ein rücklaufendes
Strahlenbündel 49 bzw. 50, das
zu einem gewissen Teil wieder in das Messgerät 10 zurückgelangt.
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Durch
ein Eintrittsfenster 47 an der Stirnseite 45 des
Geräts 10 wird
die rücklaufende
Mess-Strahlung 16 in
das Messgerät
eingekoppelt und im Ausführungsbeispiel
der 1 auf eine Empfangsoptik 52 gelenkt.
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In 1 sind
exemplarisch zur Verdeutlichung zwei rücklaufende Mess-Strahlenbündel 49 bzw. 50 für zwei unterschiedliche
Zielobjektabstände 48 eingezeichnet.
Für große Objektabstände und groß heißt in diesem
Fall groß gegenüber der
Brennweite der Empfangsoptik 52, fällt das vom Zielobjekt rücklaufende
Signal 16 parallel zur optischen Achse 51 der
Empfangseinrichtung 14 ein. Dieser Fall ist im Ausführungsbeispiel
der 1 durch das Mess-Strahlenbündel 49 repräsentiert.
Mit kleiner werdendem Objektabstand wird das in das Messgerät einfallende
rücklaufende
Signal 16 aufgrund einer Parallaxe immer mehr gegenüber der
Achse 51 der Empfangseinheit 14 geneigt. Als Beispiel
für ein
solches rücklaufendes
Mess-Strahlenbündel
im Nahbereich der Entfernungsmessvorrichtung ist in 1 das
Strahlenbündel 50 eingezeichnet.
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Die
Empfangsoptik 52, die im Ausführungsbeispiel der 1 ebenfalls
nur schematisch, durch eine einzelne Linse symbolisiert ist, kollimiert
das rücklaufende
Mess-Signal 16 und fokussiert dessen Strahlenbündel auf
die lichtempfindliche Oberfläche 66 eines
Empfangsdetektors 54. Der Detektor 54 weist zur
Detektion der optischen Messstrahlung beispielsweise eine Photodiode,
beispielsweise eine PIN-Diode oder eine APD (Avalanche Photo Diode) oder
aber auch einen CCD-Chip als lichtempfindliches Element 66 auf.
Darüber
hinaus sind natürlich auch
andere, dem Fachmann bekannte Flächendetektoren
als Empfangsdetektor möglich.
Der Flächendetektor
ist in der Regel mit seinen aktiven lichtempfindlichen Oberflächen 66 senkrecht
auf die optische Achse des Empfangsastes ausgerichtet. Das einfallende
optische Signal wird durch den Empfangsdetektor 54 in ein
elektrisches Signal 55 umgewandelt und der weiteren Auswertung
in einer Auswerteeinheit 36 der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugeführt.
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Die
Empfangsoptik 52, die im Ausführungsbeispiel der 1 nicht
einschränkend
ebenfalls auf einer Verstellmimik 53 angebracht ist, befindet
sich ungefähr
im Abstand ihrer Brennweite von der aktiven Oberfläche 66 des
Detektors entfernt, sodass einfallende Strahlung von einem Zielobjekt
kommt, welches weit entfernt vom Messgerät liegt, genau auf den Detektor
bzw. auf die aktiven lichtempfindlichen Flächen fokussiert.
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Bei
kleinen Abständen
zum Zielobjekt ist jedoch zu beobachten, dass die Abbildungsposition
für den
am Zielobjekt reflektierten oder gestreuten Messfleck sich zunehmend
vom Fokus der Empfangslinse entfernt. So wandert der rücklaufende Mess-Strahl
mit kleiner werdendem Abstand des Zielobjektes zum Messgerät immer
weiter von der optischen Achse der Empfangseinrichtung weg und weicht
somit auch immer mehr von der optischen Achse der Sendeeinrichtung
ab. Zudem wird das rücklaufende
Mess-Strahlen-Bündel
aufgrund der geänderten
Abbildungsverhältnisse
am Empfangsobjektiv nicht mehr genau auf die Detektoroberfläche fokussiert.
Mit kürzer
werdendem Zielobjektabstand ergibt sich ein immer größer werdender
Messfleck auf der Detektoroberfläche.
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Auf
weitere, im Messgerät
vorhandene Komponenten, die aber für das Verständnis der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nicht unbedingt notwendig sind, soll in diesem Zusammenhang nicht
weiter eingegangen werden. Es sei nur angemerkt, dass das Messgerät natürlich auch über einen
Steuer- und Auswerteeinheit 36 verfügt.
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Die
Zusammenhänge
zwischen dem Abstand des Zielobjektes vom Messgerät und der
Position bzw. der Größe des Messflecks
auf der Detektoroberfläche
ist in schematischer Weise in 2 zur Übersicht
dargestellt. 2 zeigt dabei eine Aufsicht auf
eine Detektoroberfläche 64 nach
dem Stand der Technik in Blickrichtung des vom Messobjekt rücklaufenden
Mess-Signals 16. Mit dem Bezugszeichen 56 versehen
ist die gemeinsame Ebene der optischen Achse 38 der Sendeeinheit 12 mit
der optischen Achse 51 der Empfangseinheit 14.
Der Messfleck 58 der rücklaufenden
Strahlung 16 für
sehr große
Objektabstände 48 liegt
auf der optischen Achse 51 der Empfangseinheit 14 und
wird auf der Oberfläche 64 des Detektors
zu einem kleinen Fleck fokussiert. Da der Detektor 54 in
etwa in Abstand der Brennweite der Empfangsoptik 52 steht,
wird Licht, das optisch gesehen aus dem Unendlichen kommen, aufgrund
der optischen Abbildungsgesetze direkt auf die Detektoroberfläche fokussiert.
In 2 ist zu Verdeutlichung der Zusammenhänge eine „klassische" Detektorfläche 64 eines
Detektors nach dem Stand der Technik gestrichelt eingezeichnet.
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Mit
abnehmender Distanz 48 des Messgerätes 10 von einem Zielobjekt 15 fällt das
rücklaufende Signal 16 zunehmend
schräger
auf das Empfangsobjektiv 52 ein, sodass auch der Messfleck
auf der Detektoroberfläche
in Richtung des Pfeils 61 in 2 wandert.
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Der
in 2 ebenfalls eingezeichnete Messfleck 60 für einen
kleinen Objektabstand 48 des Zielobjektes 15 vom
Messgerät 10 ist
somit von der optischen Achse 51 der Empfangseinrichtung
weg gewandert und in seiner Ausdehnung, insbesondere lateralen Ausdehnung
deutlich vergrößert.
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Bei
sehr kleinem Messabstand 48 des Messobjektes 15 zum
Messgerät
ergibt sich in der Detektorebene ein Messfleck 62 des rücklaufenden Mess-Signals 16,
der nochmals deutlich vergrößert ist
und zudem auch weiter entfernt von der optischen Achse 51 der
Empfangseinheit 14 zu liegen kommt. Eine solche Verschiebung
des zu detektierenden Messflecks mit dem relativen Abstand 48 eines Messobjektes 15 zum
Messgerät 10 kann
ggf. dazu führen,
dass für
sehr kleine Objektabstände,
das rücklaufende
Signal 16 nicht mehr auf die aktive Fläche des Messempfängers 54 fällt, wie
dies durch die angedeutete, gestrichelt eingezeichnete Fläche 64 eines „klassischen" Messempfängers in 2 angedeutet
sein soll.
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Um
die Variation in der Größe und Lage
des Messflecks in der Detektionsebene der Empfangseinheit 14 Rechnung
zu tragen, ist die aktive, lichtempfindliche Oberfläche 66 des
erfindungsgemäßen Detektors 54 entsprechend
gestaltet und soll nachfolgend beschrieben werden.
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3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel der
lichtempfindlichen Oberfläche 66 eines
Detektors einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Der Detektor 54 der Empfangseinheit 14 weist in
diesem Fall eine Mehrzahl von lichtempfindlichen Flächen 70, 72 und 74 auf,
die voneinander getrennt sind und in ihrer Gesamtheit die lichtempfindliche
Oberfläche 66 des
Detektors bilden. Insbesondere sind die lichtempfindlichen Flächen des
Detektors elektrisch voneinander getrennt, sodass es möglich ist,
jeweils nur eine der lichtempfindlichen Flächen 70–74 aktiv
zu schalten, d.h. beispielsweise mit einem Spannungssignal zu belegen,
so dass auftreffendes Licht in ein elektrisches Signal umgewandelt
wird. Die Teilflächen 70, 72 und 74 des
Detektors können
insbesondere alle die gleiche Größe, d.h.
Fläche,
aufweisen oder aber auch unterschiedlich groß ausgestaltet sein.
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Zu
Aktivierung einer lichtempfindlichen Teilfläche des Detektors kann beispielsweise
für jede Fläche ein
Anschluss aus dem Diodengehäuse
herausgeführt
werden, sodass durch entsprechende Kontaktierung bzw. Ansteuerung
eines solchen Anschlusses das jeweilige lichtempfindliche Teilelement angesteuert
und selektiv verwendet werden kann. Dies sei durch die symbolisch
dargestellten, elektrischen Verbindungsleitungen 57 in
den 3 bis 8 angedeutet. Dazu sind entsprechende
Schaltmittel vorgesehen, die es ermöglichen, in Abhängigkeit
von einem entsprechenden Steuersignal, die jeweils bevorzugte Teilfläche oder
Teilflächen
des Detektors 54 zu aktivieren. Bei mehreren Flächen könnte alternativ
auch ein Multiplexer direkt in den Detektor 54, beispielsweise
in eine Photodiode integriert werden.
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Für sehr große Objektabstände 48 zwischen dem
Zielobjekt 15 und dem Messgerät 10 kommt der Messfleck 58 vollständig auf
der lichtempfindlichen Teilfläche 70 zu
liegen. In diesem Fall, d.h. für
große Messdistanzen
würde durch
entsprechende Schaltungsmittel, lediglich die lichtempfindliche
Fläche 70 aktiv
geschaltet, sodass diese als Detektorfläche wirkt und das optische
Mess-Signal in ein elektrisches Mess-Signal überführt. Die ebenfalls vorhandenen
Teilflächen 72 und 74 des
Detektors sind dabei nicht aktiviert, es liegt beispielsweise keine
Spannung an diesen lichtempfindlichen Oberflächen an, sodass Licht, welches
auf diese Oberflächen
auftritt, nicht zu der Erzeugung eines elektrischen Signals beiträgt. Sollte
also Fremdlicht, welches von anderen Objekten, die näher am Messgerät liegen
als das gegenwärtig
zu vermessende Objekt 15 in das Messgerät gelangen, so würde dieses
Fremdlicht jedoch aufgrund der nicht aktivierten, d.h. nicht eingeschalteten lichtempfindli chen
Flächen 72 und 74 auch
nicht detektiert. Dieses Fremdlicht würde somit auch nicht zu einem
erhöhten
Untergrundrauschen gegenüber dem
von dem Messbündel 58 erzeugten
Mess-Signal der aktiven Fläche 70 führen.
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Die
aktive Fläche 70,
welche insbesondere für
sehr große
Messentfernungen aktiviert ist, weist in vorteilhafter Weise eine
derartige laterale Ausdehnung in der Detektionsebene auf, dass diese
sicherstellt, dass der Messfleck 58 der von einem solchen, weit
entfernten Zielobjekt rücklaufenden
Mess-Strahlung 16 bzw. 49 vollständig detektiert
wird. Als laterale Richtung sei hierbei eine Richtung senkrecht
zur Messsignalrichtung verstanden. Daher sollte die Abmessung der
lichtempfindlichen Flächen 70 im
Wesentlichen gleich bzw. leicht größer als die Abmessungen eines
Messflecks 58 für
sehr große
Objektabstände
sein. Wandert nun der Messfleck mit abnehmendem Objektabstand 48 in
Richtung des Pfeils 61 von der ursprüngliche Empfangsachse 51 aus,
so vergrößert sich,
wie in 2 angedeutet, der Durchmesser bzw. die lateralen
Ausdehnungen des Messflecks. Die laterale Richtung ist hierbei die
Richtung senkrecht zur Richtung 61, in die das Messstrahlenbündel auswandert.
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In
Richtung 61 einer Strahlverschiebung für kleiner werdende Zielobjektabstände 48 besitzt
der Flächendetektor
insgesamt eine elongierte Form. Dabei ist die Ausdehnung in Richtung
der Auswanderung des Messsignals größer, insbesondere deutlich größer, als
in dazu orthogonaler, d.h. lateraler Richtung.
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Bei
dem Auswandern des rücklaufenden Mess-Strahlbündels kommt
es zu einer Situation, bei der das Mess-Strahlbündel beispielsweise Teile beider
lichtempfindlichen Flächen 70 bzw. 72 zumindest teilweise überstreicht,
wie dies mittels des gestrichelt eingezeichneten Messfleckes 63 in 3 dargestellt sein
soll. In einer derartigen Situation wird mit einer entsprechende
Messtechnik detektiert, auf welcher der lichtempfindlichen Flächen 70 oder 72 der
größere Anteil
des reflektierten Mess-Strahlenbündels
(hier Bündel 63)
zu liegen kommt, sodass bei einer Entfernungsmessung in dieser Konfiguration
lediglich diejenige empfindliche Fläche (hier 70 oder 72)
aktiv geschaltet werden kann, auf die der größte Anteil der rücklaufenden
Strahlung auftrifft. Durch das Abschalten von nicht- oder nur teilweise
genutzten Fotodiodenflächen,
kann das Rauschen durch Fremdlicht somit deutlich verringert werden,
da nur diejenige Teilfläche
des Detektors genutzt wird, auf die das Nutzlicht optimiert auftrifft.
Diejenigen Flächen
des Detektors, die einen verhältnismäßig hohen
Fremdlichtanteil haben, werden entsprechend abgeschaltet. Bei der
Ermittlung einer Entfernung zu einem Zielobjekt 15 ist
somit insbesondere in dieser Ausführungsform jeweils immer nur
eine lichtempfindliche Fläche
des Detektors aktiv. In alternativen Ausführungsformen können jedoch
auch mehrere Teilflächen
aktiviert sein, insbesondere dann, wenn das Messsignal gleichzeitig
auf mehrere Teilflächen
auftrifft und beispielsweise das Summensignal von zwei Teilflächen weniger
verrauscht ist, als das Signal der jeweils einzeln betrachteten
Teilflächen.
In diesem Fall können
erfindungsgemäß auch mehrere
Teilflächen
des Detektors aktiviert sein.
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Zur
Bestimmung derjenigen Fläche
oder Teilflächen,
welche den höchsten
Nutzlichtanteil und somit auch das höchsten „Signal zu Rauschverhältnis" aufweist, kann beispielsweise
vor der eigentlichen Entfernungsmessung eine kurze Testmessung durchgeführt werden,
welche lediglich zur Ermittlung der Signalanteile auf den einzelnen
lichtempfindlichen Flächen
des Detektors der Empfangseinheit dient. Während dieser Testmessung können dann über die
entsprechend vorgesehenen Schaltmittel kurzzeitig alle oder auch
eine Mehrzahl der lichtempfindlichen Teilflächen des optischen Detektors
aktiviert werden und insbesondere einzeln ausgelesen werden. Auf
diese Weise kann festgestellt werden, auf welche lichtempfindliche
Teilfläche
das stärkste Lichtsignal
auffällt,
um zu entscheiden, ob lediglich eine einzelne Fläche zu aktivieren ist, oder
ob mehrere Flächen,
die eine echte Teilmenge aller verfügbaren lichtempfindlichen Flächen darstellen,
ein besseres Messsignal, insbesondere ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis ergeben.
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Bei
sehr kleinem Messabstand 48 eines Messobjekt 15 zum
Messgerät 10,
bei welchem der Messfleck weiter in Richtung des Pfeils 61 in 3 gewandert
sein wird, kann so beispielsweise lediglich die lichtempfindliche
Fläche 74 aktiviert
werden und die vom Mess-Signal
nicht mehr oder nur noch teilweise beaufschlagte lichtempfindliche
Fläche 70 bzw.
die lediglich teilbeaufschlagte lichtempfindliche Fläche 72 können erfindungsgemäß abgeschaltet sein.
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4 zeigt
eine alternative Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Detektors 54,
bei der sich eine Einhüllende 165,
die man um die lichtempfindlichen Flächen des Detektors legen bzw.
zeichnen kann, in Richtung 61, d.h. in Richtung des Auswanderns
des rücklaufenden
Messstrahlenbündels für einen
kurzer werdenden Messobjektabstand, verjüngt.
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Die
Ausdehnung der lichtempfindlichen Flächen 170, 172 bzw. 174 des
Detektors in Richtung senkrecht zur optischen Achse 51 der
Empfangseinheit 14 ist in vorteilhafter Weise dabei wiederum
zumindest so groß,
dass der von einem Zielobjekt 15 im Nahbereich rücklaufende
Mess-Strahl zumindest teilweise noch auf die lichtempfindliche Fläche 174 fällt. Dies
bedeutet insbesondere, dass für
den Fall kurzer Entfernungen 48 zu einem Zielobjekt 15 aufgrund
der gemäß des Abstandsquadratgesetzes
deutlich erhöhten
Lichtintensität,
die lichtempfindliche Fläche 174,
die bei derartigen Entfernungen zur Verwendung kommt, gegebe nenfalls
deutlich geringer ausgewählt
sein kann. Dies führt
in vorteilhafter Weise dazu, dass sich die elektrische Kapazität des Detektors
verringert, sodass auch die zeitliche Ansprechcharakteristik bzw.
analog der Frequenzgang des Mess-Systems deutlich erhöht werden
kann.
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In
vorteilhafter Weise ist daher die Einhüllende 165, welche
sich um die lichtempfindliche Flächen des
Detektors in der Detektorebene legen bzw. zeichnen lässt, in
Richtung 61 einer Strahlverschiebung für kleiner werdende Zielobjektabstände 48,
verjüngt. Eine
derartige Einhüllende 165 ist
in 4 ebenfalls eingezeichnet. Die Einhüllende folgt
dabei im Wesentlichen der Begrenzung der lichtempfindlichen Teilflächen, wobei
der Verlauf der Einhüllenden
in Richtung des Pfeils 61, d.h. in Richtung einer Strahlverschiebung
für kleiner
werdende Zielobjektabstände
zwischen zwei Teilflächen
interpolierend ist.
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Sowohl
die Formen der lichtempfindlichen Flächen als auch deren Anzahl
innerhalb eines Detektors können
je nach Ausführungsform
variieren. So zeigt 5 einen Detektor mit einer Mehrzahl
von als Rechtecken ausgebildeten lichtempfindlichen Flächen 270, 272, 274 unterschiedlicher
Größe, deren
Einhüllende 265 sich
wiederum in Richtung 61 einer Strahlverschiebung für kleiner
werdende Zielobjektabstände 48 verjüngt. Die
lichtempfindlichen Flächen 270, 272, 274,
lassen sich erfindungsgemäß bei einer
Entfernungsmessung wiederum jeweils einzeln aktivieren, d.h. zu-
oder abschalten.
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6 zeigt
eine weitere Ausführungsform mit
lediglich zwei getrennten, lichtempfindlichen Flächen 370 bzw. 372,
die jedoch ebenfalls gemäß dem zuvor
beschriebenen Prinzip einzeln aktivierbar sind.
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Prinzipiell
kann sich die Einhüllende,
die sich um die lichtempfindlichen Flächen des Detektors legen lässt, in
Richtung für
kürzer
werdende Objektabstände
auch aufweiten. Eine solche Ausführungsform
mit in Richtung 61 sich erweiternder Einhüllender,
wie sie beispielhaft in 7 und 8 dargestellt
ist, hat den Vorteil, das sie der reduzierten Leistungsdichte des
rücklaufenden
Messsignals für
kurze Messobjektabstände
Rechnung trägt.
Aufgrund eines kurzen Messobjektabstandes wird das rücklaufende
Messstrahlenbündel
nicht mehr optimal in der Detektionsebene fokussiert, da die Kollimationsoptik 52 eines
solchen Messgerätes
in der Regel auf sehr große
Messobjektabstände
hin optimiert ist. Da der Messfleck sich in der Detektionsebene
für kürzer werdende
Messobjektabstände
schnell vergrößert – vergleiche
hierzu die Darstellung in 2 – ergibt sich
auf der Detektoroberfläche
eine reduzierte Leistungsflächendichte
bzw. Intensität
des Messsignal. Beispielhaft ist in 7 ein Messfleck 462 für kurze Messobjektabstände angedeutet.
Dieses Verhalten kann insbe sondere bei einer sich verjüngenden
Einhüllenden
der Teildetektorflächen
(vgl. 4 bis 6) dazu führen, dass nur noch ein kleiner
Teil des Messfleckes auf die Detektoroberfläche fallen würde und
somit das detektierte Messsignal relativ gering wäre. Diesem
Effekt der reduzierten Leistungsdichte des Messsignals auf der Detektoroberfläche kann dadurch
begegnet werden, dass sich die Detektorfläche in Richtung 61 für kürzer werdende
Objektabstände
aufweitet oder auch nach einer vorherigen Einschnürung wieder
aufweitet, wie dies im Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Detektors
in der 7 dargestellt ist. Die Einhüllende 465 der lichtempfindlichen
Detektorflächen 470 und 472 und 474 weitet
sich in Richtung 61 für
kürzer
werdende Objektabstände
wieder auf, nachdem sie sich zuerst, im Bereich des Übergangs
vom Teilelement 470 auf das Teilelement 472 eingeschnürt hat.
Auch eine derartige Form soll im Rahmen der Offenbarung der Erfindung
dem Kriterium entsprechen, dass die lichtempfindlichen Flächen des
Detektors derart ausgeformt und angeordnet sind, dass sich eine
Einhüllende
dieser Flächen
in Richtung einer Strahlverschiebung für kleiner werdende Zielobjektabstände aufweitet.
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Bei
den konkreten Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann sowohl die Anzahl und/oder die Form der einzelnen lichtempfindlichen
Flächen,
die ein entsprechender Detektor aufweisen kann, selbstverständlich von
der in 7 gezeigten, beispielhaften Ausführungsform
abweichen. So könnte
beispielsweise das Teilelement 472 auch als ein Rechteck
ausgebildet sein, die anderen Teilelemente 470 bzw. 474 der
lichtempfindlichen Oberfläche
jedoch ihre in 7 dargestellte Form aufweisen.
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Es
gilt – je
nach konstruktiver Ausgestaltung der Messvorrichtung – den Effekt
des Abstandsquadratgesetztes einerseits, sowie den Effekt der mehr oder
weniger schlechten Fokussierung anderseits, die sich beide bei kürzer werdenden
Messobjektabständen
einstellen, jedoch für
die Stärke
des Messsignals eine gegenläufige
Auswirkung haben, gegeneinander abzuwägen und die optimierte Form
für die lichtempfindlichen
Flächen,
insbesondere für
die Einhüllende
der lichtempfindlichen Flächen
zu finden.
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8 zeigt
eine ebenfalls mögliche
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Idee
mit lediglich zwei lichtempfindlichen Teildetektorflächen 570 und 572,
deren Einhüllende 565 sich
jedoch kontinuierlich in Richtung 61 für kürzer werdende Objektabstände aufweitet.
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Unabhängig von
der Form der Einhüllenden der
lichtempfindlichen Flächen
sind dieses jedoch jeweils einzeln aktivierbar, so dass der erfindungsgemäße Detektor
mit lediglich einer oder auch mehreren Teilflächen betrieben werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist nicht auf die in der Beschreibung dargestellten Ausführungsformen
beschränkt.
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Insbesondere
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
nicht beschränkt
auf die dargestellten Formen bzw. Anzahlen der einzelnen lichtempfindlichen Teilflächen des
Detektors.