DE102010043615B4 - Optischer Abstandssensor - Google Patents

Abstract

Optischer Abstandssensor, bestehend aus einer Lichtquelle (1), einem einzigen Projektionsgitter (2; 12; 22) mit einer definierten Gitterperiode (T1), einer periodischen Detektoranordnung (3; 13; 23) sowie einer Auswerteeinheit (4), wobei
- die Lichtquelle (1) das Projektionsgitter (2; 12; 22) divergent bestrahlt und
- in der Ebene der Detektoranordnung (3; 13; 23) ohne Zwischenschaltung einer Abbildungsoptik ein periodisches Streifenmuster mit einer definierten Streifenmusterperiode (VP) resultiert und
- die Auswerteeinheit (4) dazu ausgebildet ist, aus der ermittelten Streifenmusterperiode (VP) und weiteren bekannten Geometrie-Parametern (v, T1) der Messanordnung den Abstand (u) zwischen der Lichtquelle (1) und dem Projektionsgitter (2; 12; 22) zu bestimmen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Abstandssensor.
• Zur optischen Abstandserfassung sind Abstandssensoren bekannt, die auf dem Prinzip der Triangulation Abstände zu Messobjekten ermitteln. Hierbei wird die Strahlung einer Lichtquelle in Richtung eines Messobjekts ausgesandt und dort an einer reflektierenden Oberfläche gestreut. Über eine Abbildungslinse wird die in der reflektierenden Oberfläche entstehende neue Lichtquelle auf einen geeigneten ortsauflösenden Detektor abgebildet. Die Position des auf den Detektor abgebildeten Lichtpunkts steht in einer definierten Beziehung zu der interessierenden Distanz zwischen der Lichtquelle und der reflektierenden Oberfläche. Aus der Ermittlung dieser Position kann über eine geeignete Auswerteeinheit die Messdistanz bestimmt werden. In Bezug auf derartige Systeme sei z.B. auf die DE 10 2007 058 505 A1 verwiesen. Nachteilig an diesen Systemen ist, dass gut fokussierbare Lichtquellen erforderlich sind, beispielsweise Laserdioden. Solche Lichtquellen sind in der Regel jedoch relativ teuer. Im Fall der Verwendung von Laserdioden resultieren zudem Interferenzeffekte an der reflektierenden Oberfläche, die die Distanzmessung negativ beeinflussen.
• Um eine hohe Genauigkeit bei der Distanzmessung zu erzielen, darf der abgebildete Lichtpunkt zudem eine gewisse Größe nicht überschreiten. Bei gleichbleibender Auflösung ist daher der Messbereich derartiger Abstandssensoren relativ beschränkt.
• Desweiteren ist aus der US 5 075 562 A eine Vorrichtung zur optischen Abstandsmessung bekannt, bei denen eine Lichtquelle ein erstes Gitter beleuchtet, das auf dem reflektierenden Messobjekt angeordnet ist. Über eine geeignete Optik wird dieses erste Gitter auf ein zweites Gitter abgebildet. In einer Detektionsebene, in der eine Detektoranordnung platziert ist, resultiert ein (Moire-)Streifenmuster, aus dem über eine Auswerteeinheit der Abstand zwischen Lichtquelle und Messobjekt bestimmbar ist. Nachteilig an diesem System ist, dass auf dem Messobjekt ein Gitter angeordnet oder projiziert werden muss. Dies wiederum hat bestimmte, einschränkende Anforderungen an das Messobjekt zur Folge. So muss dieses hinreichend groß für das Gitter sein und eine geeignete Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, um das Gitter zu tragen und um Gitterverzerrungen zu vermeiden.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Abstandssensor zu schaffen, in dem insbesondere wenig aufwändige Lichtquellen verwendbar sind und in dem die die o.g. Nachteile vermieden werden.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen optischen Abstandssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen optischen Abstandssensors ergeben sich aus den Maßnahmen in den abhängigen Ansprüchen.
• Der erfindungsgemäße optische Abstandssensor besteht aus einer Lichtquelle, einem einzigen Projektionsgitter mit einer definierten Gitterperiode, einer periodischen Detektoranordnung sowie einer Auswerteeinheit. Hierbei bestrahlt die Lichtquelle das Projektionsgitter divergent, so dass in der Ebene der Detektoranordnung ohne Zwischenschaltung einer Abbildungsoptik ein periodisches Streifenmuster mit einer definierten Streifenmusterperiode resultiert. Die Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet, aus der ermittelten Streifenmusterperiode und weiteren bekannten Geometrie-Parametern der Messanordnung den Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter zu bestimmen.
• Mit Vorteil ist die Lichtquelle hierbei als Punktlichtquelle ausgebildet.
• In einer möglichen Ausführungsform umfasst die periodische Detektoranordnung einen Detektorchip, der aus einzeln auslesbaren Detektorelementen in einer Zeile besteht und vor dem periodisch lichtundurchlässige Abdeckungen mit der Gitterperiode des Projektionsgitters angeordnet sind.
• Desweiteren ist es möglich, dass die periodische Detektoranordnung als in Gittererstreckungsrichtung periodische Anordnung einzelner Detektorelemente mit der halben Gitterperiode ausgebildet ist.
• Hierbei kann jeweils vorgesehen werden, dass auf einem Glasträger auf der der Lichtquelle zugewandten Seite das Projektionsgitter angeordnet ist und auf der entgegengesetzten Seite die periodische Detektoranordnung angeordnet ist.
• Die Auswerteeinheit kann den Abstand u zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter gemäß der Beziehung $$\text{u}=\text{v}·\left(\text{VP/T1}-\text{1}\right)$$

  

  ermitteln, mit
• u := Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter
• v := Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung
• VP := Streifenmusterperiode
• T1 := Gitterperiode
• Vorzugsweise gilt für die Ausdehnung der Lichtquelle in der Gitter-Erstreckungsrichtung $$\text{b}<\text{T}1·\left(1+\text{u/v}\right)\text{/}\mathrm{2,}$$

  

  mit:
• u := Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter
• v := Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung
• T1 := Gitterperiode
• Ebenso gilt für die Ausdehnung der Detektoranordnung in der Gitter-Erstreckungsrichtung vorzugsweise $$\text{d}>1.5·\text{VP},$$

  

  mit
• d := Länge der Detektoranordnung in der Gitter-Erstreckungsrichtung
• VP := Streifenmusterperiode
• Es kann ferner vorgesehen werden, dass auf der zum Projektionsgitter entgegengesetzten Seite des Glasträgers die lichtundurchlässigen Abdeckungen periodisch mit der Gitterperiode des Projektionsgitters angeordnet sind.
• Es ist desweiteren möglich, dass die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, aus der Phasenänderung des Streifenmusters gegenüber der periodischen Detektoranordnung, weiteren bekannten Geometrie-Parametern der Messanordnung sowie dem bestimmten Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter einen Lateralversatz der Lichtquelle gegenüber dem Projektionsgitter zu bestimmen.
• Als Vorteil des erfindungsgemäßen optischen Abstandssensors ist anzuführen, dass dieser mit lediglich geringem Aufwand realisierbar ist. So können etwa relativ einfache Lichtquellen wie LEDs eingesetzt werden. Ferner ermöglicht der erfindungsgemäße optische Abstandssensor die unmittelbare Bestimmung der absoluten Distanz zwischen dem Messobjekt und der Lichtquelle.
• Ein besonders einfacher Aufbau resultiert gegenüber bekannten Systemen aus dem Stand der Technik zudem, da auf jegliche Abbildungsoptik im Strahlengang erfindungsgemäß verzichtet werden kann; Optik-Komponenten für eine Abbildungsoptik sind nicht erforderlich.
• Desweiteren ermöglicht die vorliegende Erfindung eine einfache Justage der verschiedenen Komponenten zueinander, beispielsweise in Stapelbauweise. Damit lässt sich die Fertigung entsprechender Abstandssensoren automatisieren.
• Hinzu kommt, dass Beschränkungen in Bezug auf die Größe und oder Beschaffenheit eines Messobjekts beim erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor entfallen.
• Ferner weist der erfindungsgemäße optische Abstandssensor einen größeren Messbereich und eine größere Genauigkeit auf als die eingangs erwähnten Triangulationssensoren.
• Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Figuren.
• Es zeigt hierbei
• 1 eine schematisierte Prinzipdarstellung zur Erläuterung des grundsätzlichen Aufbaus des erfindungsgemäßen optischen Abstandssensors;
• 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung bestimmter Geometrieparameter im erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor;
• 3 eine erste mögliche Detektoranordnung für den erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor;
• 4 eine zweite mögliche Detektoranordnung für den erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor;
• Anhand der schematisierten Darstellung in 1 sei nachfolgend das Grundprinzip des erfindungsgemäßen optischen Abstandssensors erläutert. Vorgesehen ist hierbei eine Lichtquelle 1, die ein einziges Projektionsgitter 2 divergent beleuchtet, das im Abstand u von der Lichtquelle 1 angeordnet ist. Als Lichtquelle 1 ist hierbei vorzugsweise eine Punktlichtquelle, beispielsweise eine VCSEL-Lichtquelle (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) oder eine LED mit hinreichend kleiner räumlicher Ausdehnung in Gitterrichtung vorgesehen. Das Projektionsgitter 2 ist als Transmissionsgitter mit der Gitterperiode T1 ausgebildet. Im Abstand v hinter dem Projektionsgitter 2 ist eine periodische Detektoranordnung 3 platziert, über die ein in einer Detektionsebene resultierendes periodisches Streifenmuster abgetastet wird. Die periodische Detektoranordnung 3 umfasst im vorliegenden Beispiel einen Detektorchip 3.1 aus einzeln auslesbaren Detektorelementen in einer Zeile, vor dem periodisch lichtundurchlässige Abdeckungen 3.2 mit der Gitterperiode T1 des Projektionsgitters 2 angeordnet sind. Über die Wechselwirkung des vom Projektionsgitter 2 erzeugten Lichtmusters mit der periodischen Detektoranordnung 3 resultiert in der Ebene der Detektoranordnung 3 ohne Zwischenschaltung einer Abbildungsoptik ein periodisches Streifenmuster bzw. ein Verniermuster mit einer definierten Streifenmusterperiode VP. Der Detektoranordnung 3 ist eine Auswerteeinheit 4 nachgeordnet; diese ist dazu ausgebildet, aus der ermittelten Streifenmusterperiode VP und weiteren bekannten Geometrie-Parametern der Messanordnung den Abstand u zwischen der Lichtquelle 1 und dem Projektionsgitter 2 zu bestimmen.
• Im vorliegenden Ausführungsbeispiel nutzt die Auswerteeinheit 4 zur Bestimmung des Abstands u die nachfolgende Beziehung: $$\text{u}=\text{v}·\left(\text{VP/T1}-\text{1}\right)$$

  

  mit:

u :=

Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter

v :=

Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung

VP :=

Streifenmusterperiode

T1 :=

Gitterperiode des Projektionsgitters

• Über die messtechnische Ermittlung der Streifenmusterperiode VP lässt sich somit bei Kenntnis der Geometrieparameter v (Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter) und T1 (Gitterperiode des Projektionsgitters) der Abstand u zwischen Lichtquelle 1 und Projektionsgitter 2 bestimmen. Hierbei spielt es keine Rolle, ob es sich bei der verwendeten Lichtquelle 1 um eine reale Lichtquelle oder ggf. um eine virtuelle Lichtquelle handelt.
• Im Fall der Nutzung einer virtuellen Lichtquelle würde die Lichtquelle zusammen mit der Detektoranordnung in einem Messkopf angeordnet werden und in Richtung eines reflektierenden Messobjekts abstrahlen. Die vom reflektierenden Messobjekt zurückreflektierte Strahlung wird dann in über die Detektoranordnung erfasst. In einer derartigen Messanordnung würde die oben erwähnte Größe u sich dann aus dem Abstand zwischen der Lichtquelle und dem reflektierenden Messobjekt zuzüglich des Abstands zwischen dem reflektierenden Messobjekt und dem Projektionsgitter ergeben.
• Grundsätzlich ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht zwingend erforderlich, dass die Periodizität auf Seiten der Detektoranordnung 3 mit der Periodizität T1 des Projektionsgitters 2 übereinstimmt. Im Fall einer hiervon abweichenden Periodizität T2 der Detektoranordnung 3 würde sich der gesuchte Abstand u gemäß der folgenden Beziehung ergeben: $$\text{u}=\text{v}·1\text{/}\left[\left(\text{T}2·\text{VP}\right)\text{/}\left(\text{VP}·\text{T1}-\text{T2}·\text{T}1\right)-1\right]$$

  

  
  mit:

u :=

Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter

v :=

Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung

VP :=

Streifenmusterperiode

T1 :=

Gitterperiode des Projektionsgitters

T2 :=

Periodizität der Detektoranordnung

• Die vorgesehene Auswerteeinheit würde den interessierenden Abstand u bzw. einen hiervon abgeleiteten Abstand dann über Gl. 2 bestimmen. Bei den nachfolgenden Erläuterungen sei grundsätzlich davon ausgegangen, dass die Auswerteeinheit den interessierenden Abstand u über die Gl. 1 bestimmt.
• Wichtig für die präzise Bestimmung des Abstands u ist die möglichst genaue messtechnische Ermittlung der Streifenmusterperiode VP über die Detektoranordnung 3. Dies ist grds. dann möglich, wenn in der Detektionsebene ein kontrastreiches Streifenmuster bzw. Vemiermuster erzeugt wird.
• Zur Erzeugung eines gut kontrastierten Streifenmusters in der Detektionsebene sollten beim erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor die nachfolgenden Beziehungen erfüllt sein: $$1\text{/u}+1\text{/v}=1\text{/d}$$

  

  mit $$\text{d}=\text{n}·\text{T}{1}^2\text{/}\mathrm{\lambda }$$

  

  wobei

u :=

Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter

v :=

Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung

T1 :=

Gitterperiode des Projektionsgitters

n :=

1, 2, 3, ....

Ä :=

Lichtwellenlänge

• Als weiterhin vorteilhaft für die Erzeugung eines gut kontrastierten Streifenmusters erweist sich, wenn die verwendete Lichtquelle 1 in Bezug auf ihre räumliche Ausdehnung möglichst klein gewählt wird. Hierzu seien im folgenden weitere Bedingungen erläutert, deren Einhaltung sich vorteilhaft auf ein gut kontrastiertes Streifenmuster auswirken.
• Beschreibt die Größe b - wie in 2 veranschaulicht - die reale Ausdehnung der verwendeten Lichtquelle 1 in der Ausdehnungsrichtung des Projektionsgitters 2, so wird eine Gitterkante bei der Projektion auf die Detektoranordnung 3 mit einer Unschärfe dk abgebildet. Solange dk kleiner als die halbe Gitterperiode T1 des abgebildeten Projektionsgitters 2 ist, wird das erzeugte resultierende Streifenmuster hinreichend kontrastiert abgebildet. Als Bedingung für ein kontrastreiches Streifenmuster ergibt sich für die Ausdehnung b der Lichtquelle: $$\text{b}<\text{T}1·\left(1+\text{u/v}\right)\text{/}2$$

  

  mit

b :=

reale Ausdehnung der verwendeten Lichtquelle 1 in der Ausdehnungsrichtung des Projektionsgitters

u :=

Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter

v :=

Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung

T1 :=

Gitterperiode des Projektionsgitters

• Aus Gl. 4 wiederum lässt sich ein zulässiger Minimalabstand u_min zwischen Lichtquelle 1 und Projektionsgitter 2 ermitteln, wenn die maximale Ausdehnung bmax der verwendeten Lichtquelle 1 bekannt ist: $${\text{u}}_{\text{min}}=\text{v}·\left(\left(2·{\text{b}}_{\text{max}}\text{/T}1\right)-1\right)$$

  

  mit

u_min :=

zulässiger Minimalabstand u_min zwischen Lichtquelle und Projektionsgitter

v :=

Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung

T1 :=

Gitterperiode des Projektionsgitters

b_max :=

maximale Ausdehnung der verwendeten Lichtquelle

• Kleinere Abstände zwischen der Lichtquelle 1 und dem Projektionsgitter 2 als u_min können mit dem erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor nicht bestimmt werden.
• Desweiteren geht in die Abbildung des Projektionsgitters 2 die Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle 1, d.h. der von der Lichtquelle 1 erreichbare Abstrahlwinkelbereich Ω der Lichtquelle in der Detektionsebene ein. So sollte grundsätzlich gewährleistet sein, dass mindestens zwei Perioden des Verniermusters über die Lichtquelle 1 ausgeleuchtet werden, damit wenigstens eine Periode des Verniermusters zuverlässig im Detektorbereich vorliegt und ihre Länge ermittelt werden kann. Dies ist prinzipiell umso schwieriger, je kleiner der Abstand u ist. Da im Fall kleiner Abstände u auch die resultierende Streifenmusterperiode VP kleiner wird, fällt dies jedoch nicht so stark ins Gewicht. Es lässt sich abschätzen, dass die Größe tan Ω/2 größer sein muss als das Verhältnis von VP zu u+v. In Verbindung mit Gl. 1 ergibt sich somit: $$\text{tan }\mathrm{\Omega }\text{/}2>\text{T}1\text{/v}$$

  

  mit

Ω :=

Abstrahlwinkelbereich der Lichtquelle in der Messebene

u :=

Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter

v :=

Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung

T1 :=

Gitterperiode des Projektionsgitters

• Im Anschluss an die grundsätzlichen Design-Überlegungen für den erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor seien nachfolgend Möglichkeiten zur konkreten Ausgestaltung der periodischen Detektoranordnung erläutert.
• Eine erste Variante einer geeigneten Detektoranordnung 13 für den erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor ist in 3 teilweise schematisiert dargestellt.
• In diesem Ausführungsbeispiel ist detektorseitig ein Detektorchip vorgesehen, auf dem einzeln auslesbare Detektoren 13.2 in einer Zeile periodisch angeordnet sind. Die einzelnen Detektoren 13.2 sind hierbei in gleicher Richtung verlaufend wie das Projektionsgitter 12 angeordnet, die Periodizität der Anordnung der Detektoren 13.2 entspricht der Gitterperiode T1 des Projektionsgitters 12. Unmittelbar vor den lichtempfindlichen Flächen der Detektoren 13.2 sind gitterförmig lichtundurchlässige Abdeckungen 13.1 periodisch angeordnet. Deren Periodizität ist ebenfalls entsprechend zur Gitterperiode T1 des Projektionsgitters 12 gewählt. Die lichtundurchlässigen Abdeckungen 13.1 können z.B. als planare Metall-Strukturen ausgebildet sein; derart lässt sich ein möglichst geringer Abstand zwischen der Detektionsebene und den Abdeckungen 13.1 sicherstellen.
• Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Abdeckungen 13.1 auf der Unterseite eines Glasträgers 15 angeordnet, der die Dicke v aufweist. Auf dessen, der - nicht dargestellten - Lichtquelle zugewandten Oberseite ist das Projektionsgitter 12 mit der Gitterperiode T1 platziert. Über eine solche Anordnung ist auf einfache Art und Weise eine definierte und unveränderliche Größe des Abstands v gewährleistet, der gemäß Gl. 1 unmittelbar in die Abstandsbestimmung eingeht.
• Im Fall der divergenten Beleuchtung des Projektionsgitters 12 über die Lichtquelle wird das Projektionsgitter 12 in Zentralprojektion auf die periodisch bzw. gitterförmig angeordneten Abdeckungen 13.1 projiziert, so dass in der Ebene der Abdeckungen ein Zentralprojektionsbild des Projektionsgitters 12 bzw. ein Lichtmuster mit der Periode T1 · (1 + v/u) resultiert.
• Im Fall einer vorausgesetzten konstanten Abstrahlintensität über einen gewissen Raumwinkelbereich der Lichtquelle erfassen benachbarte Detektoren 13.2 aufgrund der unterschiedlichen Periodizität des Lichtmusters und der Periodizität der Abdeckungs-Anordnung unterschiedliche Lichtintensitäten. Es bildet sich daher in der Detektionsebene ein periodisches Streifenmuster bzw. Vernier-Streifenmuster aus, das die Periodizität VP aufweist, die sich aus den Detektorsignalen ermitteln lässt.
• Eine zweite Variante einer geeigneten Detektoranordnung 23 für den erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor ist in 4 teilweise schematisiert dargestellt. Im Unterschied zum vorherigen Beispiel ist nunmehr vorgesehen, dass die periodische Detektoranordnung 23 aus einer in Gittererstreckungsrichtung periodischen Anordnung einzelner Detektoren 23.2 besteht. Deren Periodizität beträgt wie in 4 angedeutet T1/2. Es sind demzufolge keine separaten Abdeckungen vorgesehen, die Ausdehnung und Periodizität der Detektoren 23.2 wird wie angegeben gewählt.
• Übereinstimmend mit dem vorherigen Beispiel ist wieder vorgesehen, auf der Oberseite eines Glasträgers 25 das Projektionsgitter 22 anzuordnen und auf der Unterseite desselbigen die einzelnen Detektoren 23.2.
• Beide Varianten der periodischen Detektoranordnung ermöglichen die Bestimmung der Periodizität VP des erzeugten Vernier-Streifenmusters. Zusammen mit den bekannten Geometrieparametern T1 und v ermittelt die Auswerteeinheit gemäß Gl. 1 den gesuchten Abstand u und stellt diese Größe zur Weiterverarbeitung zur Verfügung.
• Abschließend sei ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Abstandssensors erläutert, bei dem neben der Ermittlung des Abstands u zwischen Lichtquelle und Projektionsgitter zusätzlich noch eine Information bzgl. einer lateralen Verschiebebewegung der Lichtquelle gegenüber dem Projektionsgitter erzeugbar ist.
• Grundsätzlich ändert sich in einer Messanordnung gemäß 1 im Fall einer lateralen Verschiebebewegung der Lichtquelle 1 um den Verschiebetrag s gegenüber dem Projektionsgitter 2 nicht der Abstand u und damit auch nicht die Periodizität VP des erzeugten Streifenmusters in der Detektionsebene. Es verändert sich in diesem Fall jedoch die Phasenlage des in der Detektionsebene erzeugten Streifenmusters gegenüber den einzelnen Detektoren der periodischen Detektoranordnung. Die Phasenlage des Streifenmusters gegenüber den Detektoren ist jedoch abhängig vom Verschiebebetrag s. Im Fall einer Verschiebung der Lichtquelle 1 um den lateralen Verschiebebetrag s1 hat dies eine Änderung der Phasenlage des Streifenmusters bzw. eine Phasenänderung φ zur Folge: $$\mathrm{\phi }=\text{s}1\text{/}\left[\text{T}1·\left(1+\text{u/v}\right)\right]$$

  
• Der laterale Verschiebebetrag s1 lässt sich somit aus der Phasenänderung φ ermitteln gemäß $$\text{s}1=\mathrm{\phi }·\left[\text{T}1·\left(1+\text{u/v}\right)\right]$$

  

  mit

s1 :=

lateraler Verschiebebetrag der Lichtquelle

φ :=

Phasenänderung

u :=

Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter

v :=

Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung

T1 :=

Gitterperiode des Projektionsgitters

• Eine absolute Information über den Verschiebebetrag s1 bekommt man hierbei natürlich nur, solange der Verschiebetrag s1 kleiner als T1 · (1 + u/v) ist; im Fall einer größeren Verschiebung ist zur Bestimmung des Verschiebebetrags das Zählen der Nulldurchgänge der Phasenänderung φ erforderlich.
• Zum Erfassen einer lateralen Verschiebebewegung der Lichtquelle gegenüber dem Projektionsgitter ist im erfindungsgemäßen optischen Abstandssensor demzufolge messtechnisch die Erfassung der Phasenänderung φ erforderlich. Über die Gl 7.2 kann dann der Verschiebebetrag s1 ermittelt werden.
• Im Rahmen der vorliegenden Erfindung gibt es außer den erläuterten Varianten selbstverständlich noch eine Reihe weiterer Ausführungsmöglichkeiten.

Claims (10)

1. Optischer Abstandssensor, bestehend aus einer Lichtquelle (1), einem einzigen Projektionsgitter (2; 12; 22) mit einer definierten Gitterperiode (T1), einer periodischen Detektoranordnung (3; 13; 23) sowie einer Auswerteeinheit (4), wobei - die Lichtquelle (1) das Projektionsgitter (2; 12; 22) divergent bestrahlt und - in der Ebene der Detektoranordnung (3; 13; 23) ohne Zwischenschaltung einer Abbildungsoptik ein periodisches Streifenmuster mit einer definierten Streifenmusterperiode (VP) resultiert und - die Auswerteeinheit (4) dazu ausgebildet ist, aus der ermittelten Streifenmusterperiode (VP) und weiteren bekannten Geometrie-Parametern (v, T1) der Messanordnung den Abstand (u) zwischen der Lichtquelle (1) und dem Projektionsgitter (2; 12; 22) zu bestimmen.
2. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (1) als Punktlichtquelle ausgebildet ist.
3. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei die periodische Detektoranordnung (13) einen Detektorchip umfasst, der aus einzeln auslesbaren Detektorelementen (13.2) in einer Zeile besteht und vor dem periodisch lichtundurchlässige Abdeckungen (13.1) mit der Gitterperiode des Projektionsgitters (12) angeordnet sind.
4. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei die periodische Detektoranordnung (23) als in Gittererstreckungsrichtung periodische Anordnung einzelner Detektorelemente (23.2) mit der halben Gitterperiode ausgebildet ist.
5. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 3 oder 4, wobei auf einem Glasträger (15; 25) auf der der Lichtquelle zugewandten Seite das Projektionsgitter (12; 22) angeordnet ist und auf der entgegengesetzten Seite die periodische Detektoranordnung (13; 23) angeordnet ist.
6. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit (4) den Abstand (u) zwischen der Lichtquelle (1) und dem Projektionsgitter (2; 12; 22) gemäß der Beziehung $$\text{u}=\text{v}·\left(\text{VP/T}1-1\right)$$

   

   ermittelt, mit u := Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter v := Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung VP := Streifenmusterperiode T1 := Gitterperiode
7. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei für die Ausdehnung der Lichtquelle (1) in der Gitter-Erstreckungsrichtung $$\text{b}<\text{T}1·\left(1+\text{u/v}\right)\text{/}2$$

   

   gilt, mit: u := Abstand zwischen der Lichtquelle und dem Projektionsgitter v := Abstand zwischen dem Projektionsgitter und der Ebene der Detektoranordnung T1 := Gitterperiode
8. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei für die Ausdehnung der Detektoranordnung (3; 13; 23) in der Gitter-Erstreckungsrichtung $$\text{d}>1.5·\text{VP}$$

   

   gilt, mit d := Länge der Detektoranordnung in der Gitter-Erstreckungsrichtung VP := Streifenmusterperiode
9. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 3 und 5, wobei auf der zum Projektionsgitter (12) entgegengesetzten Seite des Glasträgers (13) die lichtundurchlässigen Abdeckungen (13.1) periodisch mit der Gitterperiode (T1) des Projektionsgitters (12) angeordnet sind.
10. Optischer Abstandssensor nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit (4) dazu ausgebildet ist, aus der Phasenänderung (φ) des Streifenmusters gegenüber der periodischen Detektoranordnung (3; 13; 23), weiteren bekannten Geometrie-Parametern (v, T1) der Messanordnung sowie dem bestimmten Abstand (u) zwischen der Lichtquelle (1) und dem Projektionsgitter (2; 12; 22) einen Lateralversatz der Lichtquelle (1) gegenüber dem Projektionsgitter (2; 12; 22) zu bestimmen.

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