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Die Erfindung betrifft eine optische Triangulations-Sensoranordnung und eine Linsenanordnung dafür.
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Aus dem Stand der Technik sind Sensoranordnungen für Abstandsmessungen mittels Lasertriangulationsverfahren bekannt, wobei ein Laserstrahl oder der Lichtstrahl einer Leuchtdiode auf ein Messobjekt fokussiert und die Reflektion mit einem ortsauflösenden Empfänger, wie z. B. einer CCD-Zeile oder einer Matrix aus ortsauflösenden Photodioden erfasst wird. Mit Änderung der Entfernung des Messobjekts vom Sensor ändern sich der Beobachtungswinkel und damit die Position auf dem Empfänger. Aus der Positionsänderung kann trigonometrisch dann die Entfernung des Objekts vom Laserprojektor berechnet werden. In der Regel weisen dafür erforderliche Linsenanordnungen eine oder mehrere Sammellinsen (eine oder mehrere Asphäre(n)), einen Bandpassfilter (meist ein NIR-Filter) sowie den ortsauflösenden Empfänger auf. Diese ortsauflösenden Empfänger sind aufgrund ihrer empfindlichen elektronischen Komponenten zum Schutz mit einer optisch transparenten Abdeckung, wie einem Lack versehen.
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Um stets ein scharfes Bild zu erhalten, muss die sogenannte Scheimpflugbedingung eingehalten werden. Danach wird die gewünschte Objektebene mit maximal möglicher Schärfe abgebildet, wenn sich Objekt-, Objektiv- und Bildebene in einer gemeinsamen Geraden schneiden. Dazu wird in den bekannten Sensoranordnungen der ortsauflösende Empfänger relativ zur der fokussierenden Linse schräg gestellt, d. h. in einem vorbestimmten Winkel relativ zu einer durch die Linse vorgegebenen Linsenebene eingebaut.
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Allerdings erzeugt die optisch transparente Abdeckung des Empfängers bei schräg gestelltem Empfänger einen Abbildungsfehler, wobei einfallende, bereits fokussierte Strahlenbündel in der Abdeckung des Empfängers unterschiedlich gebrochen werden und Astigmatismus bzw. Unschärfe erzeugen.
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Bei Verwendung einfacher Linsen können optische Abbildungsfehler (wie eine sphärische Aberration) allerdings nur für einen Feldwinkel von 0° korrigiert werden, d. h. für direkte Einstrahlung. Weitere Abbildungsfehler höherer Ordnung, wie bspw. Astigmatismus, Koma oder Bildfeldwölbung, die durch Strahlendurchgänge aus großen Einstrahlwinkeln (Feldwinkel ungleich 0°) hervorgerufen werden, können nur durch die Verwendung von Objektiven, d. h. teuren mehrgliedrigen Linsensystemen korrigiert werden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Linsenanordnung bereitzustellen, deren Abbildungsfehler so reduziert sind, dass für die Anwendung optimierte Abbildungseigenschaften vorliegen und dabei kostengünstig aufgebaut ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Linsenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die weitere Aufgabe eine optische Triangulations-Sensoranordnung kostengünstig und einfach aufzubauen, wird durch die Sensoranordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 9 gelöst.
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Weiterbildungen bzw. bevorzugte Ausführungsformen der Linsenanordnung sowie der Triangulations-Sensoranordnung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine erste Ausführungsform bezieht sich auf eine Linsenanordnung einer optischen Triangulations-Sensoranordnung mit einer oder mehreren abbildenden Linse(n) und einem ortsauflösenden Empfänger. Der Empfänger ist zu einer Linsenebene der Linse um einen ersten Winkel in einem Bereich von 30° bis 60° verkippt. Die Neigung ist durch die Gesetzmäßigkeiten des Scheimpflugprinzips gegeben. Sie ist bestimmt durch den Basisabstand zwischen Beleuchtungs- und Empfängeroptik, der Brennweite der Empfängeroptik und dem Referenzmessabstand, bei welchem die Empfängeroptik den Beleuchtungsspot unter einem Feldwinkel von 0° sieht,
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Ferner ist/sind zwischen der Linse und dem Empfänger ein oder mehrere Planplatte(n) angeordnet. Erfindungsgemäß ist die Planplatte zu der Linsenebene der abbildenden Linse um einen zweiten Winkel verkippt, der zu dem ersten Winkel korreliert ist, um den der Empfänger verkippt ist. Dabei ist der zweite Winkel negativ zu dem ersten Winkel ausgerichtet und liegt in einem Bereich von –30° bis –5° ausgehend von der Linsenebene. Der Winkelbetrag ist dabei abhängig von der Dicke der Empfängerabdeckung (Fehlerquelle), der Dicke der schräg gestellten Planplatte (Fehlerkompensationsobjekt) und dem durch die Scheimpfluganordnung gegebenen Schrägstellungswinkel des Empfängers.
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Der durch die Schrägstellung des Empfängers hervorgerufene Astigmatismus in tangentialer Richtung, d. h. entlang einer Längsachse des Empfängers, kann vermindert werden, indem die Planplatte erfindungsgemäß in einer vorbestimmten Weise relativ zu dem Empfänger schräg gestellt wird. Hierdurch wird erreicht, dass ein Lichtfleck oder Spot, der auf dem Empfänger fokussiert werden soll, durch die optische Abdeckung des Empfängers nicht defokussiert wird, sondern in der tangentialer Richtung des Empfängers bzw. entlang der Längsausdehnung einer jeweilige Fotozeile stärker fokussiert wird. Der Astigmatismus, der eben durch die optische Abdeckung hervorgerufen wird, kann so von tangentialer Richtung in longitudinaler Richtung verschoben und dadurch in der Richtung, die für die Güte der Ortsauflösung entscheidend ist, minimiert werden. Da der Spot damit in tangentialer Richtung geschärft wird, kann pro Pixel des Empfängers eine hohe Intensität und folglich eine verbesserte Ortsauflösung der Linsenanordnung erreicht werden.
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Die Planplatte ist in der Regel eine planparallele Scheibe, die Filterfunktion besitzen kann. Ein solcher Filter kann ein NIR- oder anderer Bandpassfilter sein, der zwischen Linse und Empfänger mit negativem Winkelvorzeichen relativ zur Winkellage des Empfängers angeordnet ist. Dies bedeutet, dass die Planplatte relativ zu der Linsenebene der abbildenden Linse um einen zweiten Winkel verkippt ist, der in dem vorgenannten Bereich liegt. Dabei kann der erste Winkel mit dem zweiten Winkel korrelieren, jedoch sind stets beide Winkel relativ zu einer Ebene ausgerichtet, die in der Ausrichtung der der Linsenebene entspricht. Diese Ebene liegt parallel versetzt zur Linsenebene und wird im Folgenden daher synonym verwendet. Dabei meint eine positive Winkellage oder ein Winkel mit „positiven Vorzeichen” im Sinne der Erfindung, dass ein Winkel, der relativ zu der Linsenebene eingestellt wird, nach rechts bzw. im Uhrzeigersinn abgebildet wird. Eine negative Winkellage bzw. ein Winkel mit „negativem Vorzeichen” soll im Sinne der Erfindung ein Winkel sein, der relativ zur Linsenebene entgegen des Uhrzeigersinns abgebildet ist. Wichtig ist die relative Anordnung von Planplatte und Empfänger zueinander, wobei ihre Anordnung im Wesentlichen einen spitzen Winkel bildet, sodass eine Ablenkung der einfallenden Lichtstrahlen durch die Planplatte in einer Richtung und durch die optischen Abdeckung entgegengesetzt gebrochen wird und sich aus dieser kombinierten Lichtbrechung die Verschiebung des Astigmatismus ergibt. Der zweite Winkel der Planplatte ist hierbei bezogen auf die Linsenebene als 0°-Ebene stets negativ und der erste Winkel des Empfängers stets positiv.
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In einer Weiterbildung kann die Erfindung vorsehen, dass der zweite Winkel bevorzugt in einem Bereich von –16° bis –12°, besonders bevorzugt bei –15° liegt. Der zweite Winkel beträgt in etwa 20% bis 40% des ersten Winkels, also des Empfängerwinkels (mit negativem Vorzeichen). Durch diese Winkelbereiche kann eben der vorgenannte Vorteil einer optimalen Reduzierung des Astigmatismus in tangentialer Richtung des Empfängers erreicht werden. Der Winkel kann mit der Dicke der optisch transparenten Abdeckung des Empfängers korrelieren, sodass je nach Abmessung der Abdeckung der zweite Winkel entsprechend zu wählen ist. Die Größe des zu korrigierenden Astigmatismus ist bestimmt durch die Schrägstellung des Empfängers zur Empfängerlinse und der Dicke der Abdeckung des Empfängers. Je größer einer oder beide dieser Beträge, desto größer der erzeugte Astigmatismus. Der zur Gegenkorrektur benötigte Neigungswinkel der Planplatte oder des Filters ist wesentlich bestimmt durch deren oder dessen Dicke. Das Betragsverhältnis der beiden Neigungswinkel entspricht dabei in erster Näherung dem Dickenverhältnis von Zeilenabdeckung und Planplatte. So kann sich ein genähertes 1:3 bzw. 1:0,3 Verhältnis ergeben, wie auch weiter unten dargestellt ist.
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Erfindungsgemäß kann zwischen Linse und Empfänger eine Blende angeordnet sein. Die Blende kann dabei als einzelnes Bauteil vorliegen, das bei Bedarf in die Linsenanordnung eingebaut werden kann. Hat der Empfänger beispielsweise keine Abdeckung endlicher Dicke oder nur eine sehr dünne Abdeckungsschicht, sind eine Korrektur des Astigmatismus und damit die Schrägstellung der Planplatte nicht mehr notwendig. Ferner kann der Einsatz einer Öffnungsblende in der Nähe zum Empfängerelement vorgesehen sein, da hier das durch große Feldwinkel bei kleinen Tastabständen entstehende Koma deutlich reduziert werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Blende unmittelbar vor oder nach der Planplatte angeordnet ist. Alternativ kann die Blende mit der Planplatte unlösbar verbunden sein, wobei die Blende auf die Planplatte aufgeklebt, verschweißt oder auf den Filter auch aufgedampft sein kann. Die Winkelstellung der Blende kann sich dabei an der Winkellage der Planplatte orientieren, sodass diese Komponenten so gut wie möglich zusammenwirken können.
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Die Blende kann eine Reduzierung des Komas bewirken. Da bei einem Feldwinkel von 0° eine optimale Fokussierung nur für einen bestimmten Arbeitsabstand eingehalten ist, treten mit zunehmendem Abstand immer größere Feldwinkel auf, wobei die Strahlenbündel schräg durch die Linse verlaufen. Bei spiegelnden, insbesondere metallischen Objekten, können in unterschiedlichen Bereichen der Empfängerlinse ungleichmäßige Bestrahlungsstärken entstehen. Schon bei gleichmäßig verteilter Bestrahlungsstärke über der Empfängerlinse tritt bei großen Feldwinkeln eine Schweifbildung (Koma) auf dem Empfängerabbild auf und folglich einer Unschärfe des Spots auf dem Empfänger. Diese Komafehler verursachen Messfehler, die auch durch etwaige Algorithmen in der Auswertung der Messdaten nicht kompensiert werden können. Dies gilt insbesondere, wenn die Bestrahlungsstärkeverteilung über der Öffnung der Empfängerlinse unbekannt ist, und z. B. gerade die Zone der Linse mit starker Koma, durch spiegelnde Objekte mit sehr hoher Bestrahlungsstärke beaufschlagt ist. Da mit kleiner werdendem Messabstand die Feldwinkel immer größer werden, wandert das gesamte Bestrahlungsfeld im Raum zwischen Linse und Empfänger aus. Die erfindungsgemäße Blende schattet nun gerade die Linsenzonen, die mit großen Feldwinkel beaufschlagt sind ab, und reduziert das Koma erheblich. Die Größe der Blende ist idealerweise so dimensioniert, dass für große Tastabstände und sehr kleine Feldwinkel keine Abschattung erfolgt und bei kleineren Tastabständen und größeren Feldwinkeln gerade die zum Abbildungsfehler beitragenden Linsenzonen abgeschattet werden. Trotz der Abschattung wird wegen der mit dem Quadrat zum Tastabstand abnehmenden Systemempfindlichkeit bei Objekten mit Lambertrückstrahlcharakteristik, diese nicht entscheidend reduziert,
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Die Erfindung kann ferner vorsehen, dass der ortsauflösende Empfänger ein Zeilensensor ist. Insbesondere kann ein CCD- oder CMOS-Zeilen- oder auch ein Matrixsensor gewählt werden, wobei die Zeilen oder die Matrix mit einer optisch transparenten Abdeckung bedeckt sind. Eine solche optisch transparente Abdeckung kann ein transparenter Lack oder ein transparenter Kunststoff sein. Die Abdeckung kann aufgespritzt oder gegossen sein, wobei die Abdeckung eine Dicke in einem Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm, bevorzugt von 0,3 mm hat. Diese Dicke ermöglicht einen effektiven Schutz der Empfängerelektronik.
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Die Planplatte kann Filterfunktion haben. Ein bevorzugt genutzter Filter kann ein Bandpassfilter, wie bspw. ein Nahinfrarot-Filter (NIR-Filter) sein. Damit werden Anteile des Lichts, wie Infrarot-Bereiche oder andere Frequenzanteile, die zur Messwertverzerrung und zu Messfehlern führen können, absorbiert. Generell orientiert sich die Art der Befilterung an der Quelle und deren Emissionsspektrum. Wird beispielsweise eine rote Laserdiode mit ca. 650 nm Emissionswellenlänge genutzt, ist die Befilterung auf diese Wellenlänge in geeigneter Weise abzustimmen.
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Bevorzugt kann die Erfindung vorsehen, dass die Dicke der Planplatte mit der Dicke der optischen Abdeckung des ortsauflösenden Empfängers korreliert. Dazu kann die Planplatte eine Dicke in einem Bereich von 0,5 mm bis 1,5 mm, bevorzugt von 1 mm haben. Damit kann sich ein Verhältnis von in etwa 1:0,3 ergeben, sodass 1 mm Dicke der Planplatte in etwa 0,3 mm Dicke der optisch transparenten Abdeckung entspricht. Je nach Anwendung bzw. Abmessung der Abdeckung kann die Dicke der Planplatte auch das drei- bis fünffache der entsprechenden Abmessung der Abdeckung entsprechen.
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In Bezug auf die vorgenannten Abmessungen kann eine Weiterbildung der Erfindung vorsehen, dass eine Blendenöffnung in einem Bereich von 2,5 mm bis 4,5 mm, bevorzugt bei 3 mm im Durchmesser liegt. Durch die Blendenöffnung wird der Anteil des Strahlengangs reduziert bzw. vollständig abgeschattet, welcher mit Abbildungsfehlern (Koma) behaftet ist. Die Form der Blendenöffnung ist dabei weniger von Bedeutung, da der Hauptteil der Strahlung auf den Empfänger treffen soll und der komabehaftete Anteil des Strahlengangs durch die Blende abgeschattet werden soll, sodass ein Rund- oder auch ein Langloch oder eine rechteckige Öffnung gewählt sein kann.
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Ferner kann die Planplatte bzw. die Blende von der Linsenebene derart beabstandet angeordnet sein, dass ein Abstand zwischen Linsenebene und Planplatte bzw. Blende 55% bis 85% eines Gesamtabstands zwischen Linsenebene und Empfänger beträgt. Vorteilhaft sollte die Blende so nah wie möglich an den Empfänger gerückt werden, um eine optimale Abschattung komabehafteter Strahlen zu erreichen. Je näher die Blende vor dem Empfänger angeordnet werden kann, desto besser ist dessen Effekt. Es ist dabei ein Kompromiss zwischen Abschatteffekt und erzielbarem Messbereich zu finden. Läge beispielsweise die Blende direkt in der Empfängerebene würde vornehmlich der Messbereich eingeschränkt. Dabei ist die Blende in einer bevorzugten Ausführungsform direkt vor oder nach der Planplatte vorgesehen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf eine optische Triangulations-Sensoranordnung mit einem Gehäuse und einer Linsenanordnung, die in dem Gehäuse angeordnet ist. Die Linsenanordnung entspricht dabei einer Linsenanordnung, wie sie auch vorbeschrieben ist.
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Mit den verwendeten Komponenten in der Linsenanordnung kann ein Arbeitsbereich der Sensoranordnung in Auflösung und Nutzung verbessert werden, was insbesondere für die Randbereiche gilt, wie Nah- und Fernbereiche. Indem die Linse nur die sphärische Aberration lösen kann, ist es besonders vorteilhaft, die vorgenannten Komponenten in Kombination einzusetzen, um die weiteren Abbildungsfehler und Aberrationen, wie Komabildung und Astigmatismus zu reduzieren. Gerade durch die Verwendung der schräggestellten Planplatte kann eine Auflösung der Apparatur im Fernbereich verbessert werden, wobei die Blende vorrangig die Auflösung bzw. Empfindlichkeit der Sensoranordnung im Nahbereich verbessern kann.
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Ferner kann das Gehäuse einen Einschub aufweisen, in den die Planplatte bzw. die Blende eingeschoben werden kann. Der Einschub kann auch beide Komponenten, Planplatte und Blende aufnehmen, sodass ein Einbau einfach ist bzw. bei Bedarf die Komponenten ausgetauscht werden können. Je nach Ausführungsform können auch einzelne Einschübe oder Kassetten vorgesehen sein, in die die Komponenten einzeln oder kombiniert eingesetzt und bei Bedarf ausgetauscht werden können. So kann die Sensoranordnung durch Austausch verschiedener Planplatten, Filter oder Blenden mit unterschiedlichen Blendenöffnungen einfach aufgebaut sein und schnell unterschiedlichen Anforderungen angepasst werden (wie bspw. unterschiedliche zu untersuchende Materialien, wie Metall oder Kunststoff). In einer weiteren Ausführungsform können auch mehrere Blenden oder alternativ mehrere Planplatten bzw. Filter hintereinander angeordnet sein, wobei unterschiedliche Filterarten und Blendengrößen möglich sind, wie bereits beschrieben.
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Weitere Ausführungsformen sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Linsenanordnung,
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2 eine Winkelstellung der Komponenten der Linsenanordnung,
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3 eine Detailansicht des Empfängers mit optisch transparenter Abdeckung,
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4 ein Diagramm eines erfassten Strahlenbildes mit in tangentialer Richtung optimierten Spot,
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5 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Linsenanordnung,
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6a Darstellung der Bestrahlungsstärkeverteilung über der Position auf dem Empfänger ohne Einsatz einer Blende,
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6b Darstellung der Bestrahlungsstärkeverteilung über der Position auf dem Empfänger bei Verwendung einer Blende, und
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7 einen schematischen Strahlengang durch eine erfindungsgemäße Sensoranordnung.
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Die erfindungsgemäße Linsenanordnung 1 nach 1 und 2 weist eine abbildende Linse 2, hier eine Asphäre, und einen ortsauflösenden Empfänger 3, wie z. B. eine CCD-Zeile, auf. In 1 ist ferner der Strahlengang des Lichts durch schematische Strahlen L dargestellt. Zwischen Linse 2 und dem Empfänger 3 ist eine Planplatte 4 angeordnet, die in den Figuren einen Filter 4 darstellt. Der Filter 4 ist dabei so in Bezug auf die Asphäre 2 angeordnet, dass er von dem gesamten Strahlenbündel durchleuchtet wird. Der Empfänger 3 liegt mit einem vorbestimmten Abschnitt im Fokus der Linse 2, wobei der im besten Fall punktförmige Fokus auf einer Oberfläche des Empfängers 3 wandern kann. 7 zeigt dazu den Arbeitsbereich der Linsenanordnung 1, wobei der in 1 gezeigte Strahlengang einen Fernbereich des Arbeitsbereichs darstellt. Sollte ein kürzerer Abstand untersucht werden, rutscht der Fokus des Strahlengangs L nach oben entlang der Oberfläche des Empfängers 3.
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Zwischen der Linse 2 und dem Empfänger 3 ist ein Filter 4 angeordnet. Filter 4 und Empfänger 3 sind zueinander und zu einer Linsenebene E schräg angeordnet. Die Linsenebene E bezeichnet die Ebene in Bezug zu den Komponenten Empfänger 3 und Filter 4, die relativ zueinander verkippt sind. Die Winkel, um die die beiden Komponenten jeweils verkippt sind, sind in 2 mit α und β bezeichnet. Dabei ist der Empfänger 3 um einen ersten Winkel α in Bezug zur Linsenebene E (zur Übersicht zum Empfänger 3 verschoben) in einem Bereich von 50° bis 60°, vorzugsweise um 55° gedreht. Der Filter 4 ist ferner um einen zweiten Winkel β in Bezug zur Linsenebene E in einem Bereich von –16° bis –12°, vorzugsweise um –15° gedreht. Der erste Winkel α ist positiv definiert, im Sinne einer Verkippung des Empfängers 3 in 2 von der Linsenebene E nach rechts bzw. mit dem Uhrzeigersinn. Demgemäß wird das negative Vorzeichen des zweiten Winkels β mit einer Verkippung des Filters 4 in 2 nach links ausgehend von der Linsenebene E bzw. entgegen dem Uhrzeigersinn definiert. Gegeben sein sollte daher eine in einer Seitenansicht V-förmige Anordnung der beiden Komponenten zueinander.
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Um die erfindungsgemäße Wirkung der Korrektur verschiedener optischer Aberrationen zu erreichen, sind – neben der spezifischen Verkippung – der Filter 4 und der Empfänger 3 in vorbestimmten Abständen in Bezug zu der Linse 2, bzw. deren Linsenebene E anzuordnen. Der Empfänger 3 ist einem Abstand B und der Filter 4 in einem Abstand A ausgehend von der Linsenebene E der Asphäre 2 aufgebaut. Hierbei bezeichnet Abstand B den Gesamtabstand zwischen Linsenebene E und Empfänger 3. Der Abstand B ist durch die Brennweite fe der Empfängerlinse, d. h. der Asphäre 2 gegeben. Dazu steht der Abstand A in dem Verhältnis, dass er ausgehend von der Linsenebene E in einem Bereich zwischen 60% und 80% des Gesamtabstands B vorliegt.
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In 3 ist eine Oberfläche des Empfängers 3 mit einer optisch transparenten Abdeckung 6 in einem Ausschnitt abgebildet. Die Abdeckung 6 besteht aus einem transparenten Kunststoff, der aufgegossen oder aufgespritzt ist. Sie hat eine vorbestimmte Dicke D, die durch den aufgegossenen Kunststoff bestimmt ist, in der Regel von in etwa 0,3 mm. Nach dieser Abmessung bemisst sich auch die Dicke des Filters 4, wonach der Filter 4 eine Abmessung in Richtung des Strahlengangs hat, die dem drei- bis fünffachen der Dicke D der Abdeckung entspricht. So entspricht eine optimale Dicke des Filters 4 in diesem Ausführungsbeispiel in etwa 1 mm.
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In 4 ist eine Position eines Lichtflecks oder auch Spots auf dem Empfänger 3 dargestellt. Dabei bezeichnen die X- und Y-Achse jeweils die Position des Spots in X-Y-Ebene auf der Empfängerzeile 3 mit einer Auflösung von 120 μ/Dig. Daraus ergibt sich eine Spotbreite in X-Richtung von ca. 70 μm und eine Spothöhe in Y-Richtung von ca. 10 μm. Dargestellt sind hier nur die Abbildungsfehler, die reale Spotgröße hängt noch ab vom Beleuchtungsfeld in einem Messabstand Z (siehe 7) und dem Abbildungsmaßstab bei der Abbildung dieses Spots auf den Empfänger 3. Ist z. B. in einem Messabstand Z = 1000 m ein Beleuchtungsfeld von 2 mm mal 1 mm vorliegend und wird eine Linse 2 mit einer Brennweite fe = 20 mm verwendet, ergibt sich bei einem ungefähren Abbildungsmaßstab Mag = –0,02 eine reale Spotgröße von 40 μm mal 20 μm zuzüglich der Abbildungsfehler von 70 μm mal 10 μm. In Summe ergibt sich demnach eine Spotgröße von in etwa 110 μm mal 35 μm. Bei einer angenommen Pixelbreite von 10 μm pro Pixel wären damit in etwa 3 bis 4 Pixel ausgeleuchtet. Durch die Nutzung des Filters 4 erfolgt eben die Verschiebung des Astigmatismus von einer Ausdehnung in Y-Richtung in eine Ausdehnung in X-Richtung, sodass entlang der Fotozeile (also in Y-Richtung) der Lichtfleck geschärft wird. Dies ist für die sog. Speckel-Reduzierung wichtig, da pro Pixel höhere Intensitäten erreicht werden sollen.
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Die 5 zeigt neben dem Filter 4 eine weitere Komponente zur Reduzierung von Aberrationen, eine Blende 5. Die Blende 5 wird idealerweise zwischen Empfänger-Optik, d. h. der Linse 2 und dem Empfänger 3 eingebaut. Die Öffnung der Blende 5 ist dabei so bemessen, dass Strahlen L unter einem Feldwinkel von 0° durch diese gerade abgeschattet (vignettiert) werden. Hierbei handelt es sich insbesondere um Strahlenbündel, die aus dem oberen Bereich der Linse abgelenkt werden, d. h. Lichteinfall aus dem Nahbereich des Arbeitsbereiches. Eine Schweifbildung wird reduziert, da gerade die Strahlen mit Koma abgeschattet werden. Der Spot auf dem Empfänger 3 wird dazu nochmals geschärft. Die Blende 5 ist im Strahlengang direkt vor dem Filter 4 eingebaut und liegt an der gleichen Position wie auch der Filter 4. Die Blende 5 kann für eine effektive Nutzung ebenfalls in einem Bereich von 60% bis 80% des Gesamtabstands angeordnet werden.
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Die Wirkung der Blende 5 ist unter anderem in den 6a und 6b dargestellt. Aufgetragen ist jeweils die Bestrahlungsstärkeverteilung über der Zeile im Tagentialschnitt referenziert auf den vom Nullpunkt, d. h. der optischen Mittelachse des Empfängers 3. In 6a ist eine Messung ohne Blende dargestellt. Hierbei bildet sich aus dem Nahbereich, d. h. im negativen Bereich bei –400 bis –200 eine Schulter aus, die der Komabildung geschuldet ist. Bei metallischen Objekten, dicht oder stark reflektierenden Objekten kann diese Schulter sich so weit auswachsen, dass sie einen weiteren Peak erzeugt oder dass sie den Hauptpeak verschiebt. Dadurch werden Messergebnisse verfälscht, bzw. Messungen unmöglich. 6b zeigt eine entsprechende Messung nun mit Blende 5. Es ist keine Schulter mehr zu messen, was darauf schließen lässt, dass die für die Komabildung verantwortlichen Strahlenbündel abgeschattet wurden. Die Fehlermöglichkeiten der Linsenanordnung werden verringert, da der Peak nun in seiner Position definierter und schärfer ist.
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Zur Erläuterung des Vorgenannten ist in 7 eine Sensoranordnung 10 mit der beschriebenen Linsenanordnung 1 schematisch gezeigt, wobei die Sensoranordnung 10 neben der Linsensanordnung 1 eine Lichtquelle 11 (bspw. ein Laser) und eine zur Lichtquelle 11 zugeordnete Ausgangsoptik oder Sendelinse 12 aufweist. Neben der Linse 2 sind die Blende 5 sowie der Empfänger 3 dargestellt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde der Filter 4 nicht eingezeichnet. Hierbei ist nur der halbe Arbeitsbereich gezeigt, insbesondere der Nahbereich Die Null auf einer unteren Linie bezeichnet die Null-Linie, d. h. die optische Achse der Sendelinse 12. Z ist ein beliebiger Punkt im Nahbereich des Arbeitsbereichs und 0 bildet die Grenze des Arbeitsbereich im Nahfeld. Ein Abstand C zwischen dem Nullpunkt und ZMax kann je nach Sensoranordnung in einem Bereich von 40 mm bis 200 mm oder 200 mm bis 1 m liegen.
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Licht wird von der Lichtquelle 11 (rechts in 7) ausgesandt und trifft an den Punkten „ZMax” und „Z” auf Objekte, die das Licht zurückwerfen. Ausgehend von Z ist ein erster Lichteinfall L1 aus dem Nahfeld beispielhaft gestrichelt dargestellt. Ein zweiter Lichteinfall L2 geht mit durchgezogener Linie gezeichnet von einem optimalen Abstand aus, der hier die Mitte des Arbeitsbereiches definiert und bei einem Feldwinkel von 0° mit der optischen Achse der Linse 2 übereinstimmt. Die Lichtstrahlen gehen im Wesentlichen ohne Störung durch die Blende 5 auf den Empfänger 3. Der Effekt, dass die Lichtstrahlen aus einem in 7 oberen Bereich der Linse 2 abgeschattet werden, ist gut zu erkennen. Hierdurch wird die genannte Verschärfung des Sports auf dem Empfänger 3 ermöglicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Linsenanordnung
- 2
- Linse
- 3
- Ortsauflösender Empfänger
- 4
- Filter/Planplatte
- 5
- Blende
- 6
- Optische Abdeckung
- 10
- Sensoranordnung
- 11
- Lichtquelle
- 12
- Optik Lichtquelle
- A
- Abstand Linsenebene zu Filter/Blende
- B
- Abstand Linsenebene zu Empfänger
- C
- Arbeitsbereich
- Z
- Abstand einfallendes Licht
- ZMax
- Grenze Arbeitsbereich Nahfeld
- E
- Linsenebene
- L
- Lichtstrahlen
- L1
- Erster Lichteinfall
- L2
- Zweiter Lichteinfall
